Виды трансляторов языков программирования

Трансляторы и их виды

Поскольку текст, записанный на языке программирования, непонятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный код. Такой перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией, а выполняется она специальными программами – трансляторами.

Транслятор — обслуживающая программа, преобразующая исходную программу, предоставленную на входном языке программирования, в рабочую программу, представленную на объектном языке.

В настоящее время трансляторы разделяются на три основные группы: ассемблеры, компиляторы и интерпретаторы.

Ассемблер — системная обслуживающая программа, которая преобразует символические конструкции в команды машинного языка. Специфической чертой ассемблеров является то, что они осуществляют дословную трансляцию одной символической команды в одну машинную. Таким образом, язык ассемблера (еще называется автокодом) предназначен для облегчения восприятия системы команд компьютера и ускорения программирования в этой системе команд. Программисту гораздо легче запомнить мнемоническое обозначение машинных команд, чем их двоичный код.

Вместе с тем, язык ассемблера, кроме аналогов машинных команд, содержит множество дополнительных директив, облегчающих, в частности, управление ресурсами компьютера, написание повторяющихся фрагментов, построение многомодульных программ. Поэтому выразительность языка намного богаче, чем просто языка символического кодирования, что значительно повышает эффективность программирования.

Компилятор — это обслуживающая программа, выполняющая трансляцию на машинный язык программы, записанной на исходном языке программирования. Также как и ассемблер, компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой (чаще всего, в язык конкретного компьютера). Вместе с тем, команды исходного языка значительно отличаются по организации и мощности от команд машинного языка. Существуют языки, в которых одна команда исходного языка транслируется в 7-10 машинных команд. Однако есть и такие языки, в которых каждой команде может соответствовать 100 и более машинных команд (например, Пролог). Кроме того, в исходных языках достаточно часто используется строгая типизация данных, осуществляемая через их предварительное описание. Программирование может опираться не на кодирование алгоритма, а на тщательное обдумывание структур данных или классов. Процесс трансляции с таких языков обычно называется компиляцией, а исходные языки обычно относятся к языкам программирования высокого уровня (или высокоуровневым языкам). Абстрагирование языка программирования от системы команд компьютера привело к независимому созданию самых разнообразных языков, ориентированных на решение конкретных задач. Появились языки для научных расчетов, экономических расчетов, доступа к базам данных и другие.

Интерпретатор — программа или устройство, осуществляющее пооператорную трансляцию и выполнение исходной программы. В отличие от компилятора, интерпретатор не порождает на выходе программу на машинном языке. Распознав команду исходного языка, он тут же выполняет ее. Как в компиляторах, так и в интерпретаторах используются одинаковые методы анализа исходного текста программы. Но интерпретатор позволяет начать обработку данных после написания даже одной команды. Это делает процесс разработки и отладки программ более гибким. Кроме того, отсутствие выходного машинного кода позволяет не «захламлять» внешние устройства дополнительными файлами, а сам интерпретатор можно достаточно легко адаптировать к любым машинным архитектурам, разработав его только один раз на широко распространенном языке программирования. Поэтому, интерпретируемые языки, типа Java Script, VB Script, получили широкое распространение. Недостатком интерпретаторов является низкая скорость выполнения программ. Обычно интерпретируемые программы выполняются в 50-100 раз медленнее программ, написанных в машинных кодах.

Эмулятор — программа или программно-техническое средство, обеспечивающее возможность без перепрограммирования выполнять на данной ЭВМ программу, использующую коды или способы выполнения операция, отличные от данной ЭВМ. Эмулятор похож на интерпретатор тем, что непосредственно исполняет программу, написанную на некотором языке. Однако, чаще всего это машинный язык или промежуточный код. И тот и другой представляют команды в двоичном коде, которые могут сразу исполняться после распознавания кода операций. В отличие от текстовых программ, не требуется распознавать структуру программы, выделять операнды.

Эмуляторы используются достаточно часто в самых различных целях. Например, при разработке новых вычислительных систем, сначала создается эмулятор, выполняющий программы, разрабатываемые для еще несуществующих компьютеров. Это позволяет оценить систему команд и наработать базовое программное обеспечение еще до того, как будет создано соответствующее оборудование.

Очень часто эмулятор используется для выполнения старых программ на новых вычислительных машинах. Обычно новые компьютеры обладают более высоким быстродействием и имеют более качественное периферийное оборудование. Это позволяет эмулировать старые программы более эффективно по сравнению с их выполнением на старых компьютерах.

Перекодировщик — программа или программное устройство, переводящие программы, написанные на машинном языке одной ЭВМ в программы на машинном языке другой ЭВМ. Если эмулятор является менее интеллектуальным аналогом интерпретатора, то перекодировщик выступает в том же качестве по отношению к компилятору. Точно также исходный (и обычно двоичный) машинный код или промежуточное представление преобразуются в другой аналогичный код по одной команде и без какого-либо общего анализа структуры исходной программы. Перекодировщики бывают полезны при переносе программ с одних компьютерных архитектур на другие. Они могут также использоваться для восстановления текста программы на языке высокого уровня по имеющемуся двоичному коду.

Макропроцессор — программа, обеспечивающая замену одной последовательности символов другой. Это разновидность компилятора. Он осуществляет генерацию выходного текста путем обработки специальных вставок, располагаемых в исходном тексте. Эти вставки оформляются специальным образом и принадлежат конструкциям языка, называемого макроязыком. Макропроцессоры часто используются как надстройки над языками программирования, увеличивая функциональные возможности систем программирования. Практически любой ассемблер содержит макропроцессор, что повышает эффективность разработки машинных программ. Такие системы программирования обычно называются макроассемблерами.

Макропроцессоры используются и с языками высокого уровня. Они увеличивают функциональные возможности таких языков как PL/1, C, C++. Особенно широко макропроцессоры применяются в C и C++, позволяя упростить написание программ. Макропроцессоры повышают эффективность программирования без изменения синтаксиса и семантики языка.

Синтаксис — совокупность правил некоторого языка, определяющих формирование его элементов. Иначе говоря, это совокупность правил образования семантически значимых последовательностей символов в данном языке. Синтаксис задается с помощью правил, которые описывают понятия некоторого языка. Примерами понятий являются: переменная, выражение, оператор, процедура. Последовательность понятий и их допустимое использование в правилах определяет синтаксически правильные структуры, образующие программы. Именно иерархия объектов, а не то, как они взаимодействуют между собой, определяются через синтаксис. Например, оператор может встречаться только в процедуре, а выражение в операторе, переменная может состоять из имени и необязательных индексов и т.д. Синтаксис не связан с такими явлениями в программе как «переход на несуществующую метку» или «переменная с данным именем не определена». Этим занимается семантика.

Семантика — правила и условия, определяющие соотношения между элементами языка и их смысловыми значениями, а также интерпретацию содержательного значения синтаксических конструкций языка. Объекты языка программирования не только размещаются в тексте в соответствии с некоторой иерархией, но и дополнительно связаны между собой посредством других понятий, образующих разнообразные ассоциации. Например, переменная, для которой синтаксис определяет допустимое местоположение только в описаниях и некоторых операторах, обладает определенным типом, может использоваться с ограниченным множеством операций, имеет адрес, размер и должна быть описана до того, как будет использоваться в программе.

Синтаксический анализатор — компонента компилятора, осуществляющая проверку исходных операторов на соответствие синтаксическим правилам и семантике данного языка программирования. Несмотря на название, анализатор занимается проверкой и синтаксиса, и семантики. Он состоит из нескольких блоков, каждый из которых решает свои задачи. Более подробно будет рассмотрен при описании структуры транслятора.

Любой транслятор выполняет следующие основные задачи:

­- анализирует транслируемую программу, в частности определяет, содержит ли она синтаксические ошибки;

— генерирует выходную программу (ее часто называют объектной) на языке машинных команд;

— распределяет память для объектной программы.

Транслятор – это… Виды трансляторов. Преобразование и трансляция программы

Для перевода с одного языка на другой программам, как и людям, требуется переводчик или, говоря по-научному, транслятор.

Транслятор: основные понятия

Такая программа как транслятор представляет собой лингвистическое представление вычислений I ->P ->P (i). Интерпретатор представляет собой программу, на вход которой подается программа P с некоторыми входными данными X.Выполняет он P на X: I(P, x)=P(x).Существует единственный транслятор, который способен выполнять все возможные программы (которые можно представить в формальной системе). Это является очень значительным и глубоким открытием Тьюринга. Процессор представляет собой интерпретатор программ на машинном языке. Писать интерпретаторы для языков высокого уровня, как правило, слишком дорого, поэтому их транслируют в ту форму, которую легче интерпретировать. Некоторые виды трансляторов обладают очень странными именами. Программа транслирует программы на ассемблере в машинный язык. Компилятор позволяет транслировать с языка высокого уровня на язык более низкого уровня. Транслятор представляет собой программу, которая в качестве входных данных принимает программу на некотором языке S и после обработки выдает программу на языке T.Таким образом, они обе имеют ту же семантику: P->X->Q. Таким образом, для любого xP(x)=Q(x). Если транслировать всю программу в нечто интерпретируемое, то это называется компиляцией перед исполнением или компиляцией AOT. Компиляторы AOT могут использоваться последовательно. Последний из них очень часто является ассемблером. Так, рассмотрим пример: Исходный код ->Компилятор (транслятор) -> Ассемблерный код -> Ассемблер (транслятор) -> Машинный код -> ЦПУ (интерпретатор). Динамическая или оперативная компиляция осуществляется в том случае, если часть программы транслируется, когда исполняются другие скомпилированные ранее части. Трансляторы JIT запоминают то, что они уже выполнили ранее, чтобы снова и снова не повторять исходный код. Они даже способны выполнять адаптивную компиляцию и перекомпиляцию, которая основана на поведении среды выполнения программы. Многие языки дают возможность выполнять код во время трансляции, а также компилировать новый код во время выполнения программы.

Трансляция: этапы

Процесс трансляции состоит из этапов синтеза и анализа. Схематично этот процесс выглядит примерно следующим образом: Исходный код -> Анализатор -> Концептуальное представление -> Синтезатор (генератор) -> Целевой код. Обусловлено это следующими причинами:

— любой другой способ просто не подходит;

— перевод по словам просто не работает.

Можно использовать следующее инженерное решение: если необходимо написать трансляторы для M исходных языков и N целевых, потребуется написать только M+N простых программ (полукомпиляторов), а не MxN полных (комплексных) трансляторов. На практике, тем не менее, концептуальное представление довольно редко бывает выразительным и мощным, чтобы охватить все существующие целевые и исходные языки. Хотя некоторые пользователи смогли приблизиться к этому. Реальные компиляторы проходят через множество различных этапов. При создании собственного компилятора не нужно будет заново проводить всю тяжелую работу, которую программисты уже проделали при создании генераторов и представлений. Свой язык можно транслировать непосредственно в JavaScript или C и использовать для этой цели существующие компиляторы языка C и JavaScript движки для того, чтобы сделать все остальное. Можно также использовать существующие промежуточные представления и виртуальные машины.

Запись транслятора

Транслятор может представлять собой техническое средство или программу, в которой используются три языка: исходный, целевой, базисный. Записать их можно в форме T, расположив слева исходный, справа целевой и ниже базисный. Всего существует три вида компиляторов.

1. Транслятор – это самокомпилятор, если исходный язык у него соответствует базисному.
2. Саморезидентным называется компилятор, у которого целевой язык равняется базисному.
3. Если целевой и базисный языки различные, то транслятор – это кросс-компилятор.

Почему важно различать эти виды компиляторов? Даже если вы никогда не создадите по-настоящему качественный компилятор, неплохо будет узнать о технологии его создания, поскольку все используемые для этой цели концепции применяются повсеместно в языках запросов к базам данных, при форматировании текстов, в расширенных компьютерных архитектурах, графических интерфейсах, обобщенных задачах оптимизации, машинных переводах, контроллерах и в виртуальных машинах. Также, если необходимо написать препроцессоры, загрузчики, сборщики, отладчики или профилировщики, необходимо пройти через все те же этапы, что и при написании компилятора. Можно также узнать о том, каким образом лучше писать программы, поскольку разработка транслятора для языка программирования означает лучшее понимание всех его неясностей и тонкостей. Благодаря изучению общих принципов трансляции вы можете стать хорошим дизайнером языка. Но действительно ли это важно? Насколько крут язык, если он не может быть эффективно реализован?

Масштабная технология

Технология компилятора охватывает широкий круг различных областей информатики. В него входят формальная теория языка, грамматика, компьютерная архитектура, парсинг, вычислимость, наборы инструкций, CISC или RISC, конвейерная обработка, тактовые циклы, ядра и т.п., а также управление последовательностью выполнения, рекурсии, условное выполнение, функциональное разложение, итерации, модульность, синхронизация, метапрограммирование, константы, область видимости, шаблоны, тип вывода, аннотации, прототипы, потоки, почтовые ящики, монады, групповые символы, продолжения, транзакционную память, регулярные выражения, полиморфизм, наследование, режимы параметров и т.п. Также для создания компилятора необходимо разбираться в абстрактных языках программирования, алгоритмах и структуре данных, регулярных выражениях, графических алгоритмах, динамическом программировании.

Проектирование компилятора. Возможные проблемы, возникающие при создании реального транслятора

Какие проблемы могут возникать с исходным языком? Легко ли его скомпилировать? Имеется ли для этого препроцессор? Каким образом обрабатываются типы? Какая группировка проходов компилятора используется – одно- или многоходовая? Также особого внимания заслуживает желаемая степень оптимизации. Быстрая и нечистая трансляция программы практически без оптимизации может быть нормальной. Чрезмерная оптимизация может тормозить компилятор, однако, во время выполнения лучший код может того стоить.

Степень обнаружения ошибок. Нужно ли, чтобы транслятор остановился уже на первой ошибке? Когда он должен остановиться? Стоит ли доверять компилятору процедуру исправления ошибок?

Необходимый набор инструментов

Если в вашем случае исходный язык является не слишком маленьким, то наличие генератора анализаторов и сканера являются обязательным условием. Также существуют и специальные генераторы кода, но они не получили слишком большого распространения.

Что касается вида целевого кода для генерации, тут необходимо выбирать из чистого, дополненного или виртуального машинного кода. Можно также написать входную часть, которая создает популярные промежуточные представления, такие как LLVM, JVM, RTL. Можно также сделать трансляцию из исходного в исходный код на Java Script или C. Если говорить о формате целевого кода, тут здесь можно выбрать переносимый машинный код, машинный код образа памяти, язык ассемблера.

Перенацеливание

При использовании большого количества генераторов неплохо было бы иметь общую входную часть. Также по этой причине для многих входных частей лучше иметь один генератора.

Компоненты компилятора

Перечислим главные функциональные компоненты транслятора, который генерирует машинный код, если выходной программой является программа, написанная на языке C или виртуальная машина:

— входная программа поступает в лексический анализатор, или по-другому сканер, который преобразует ее в поток токенов;

— синтаксический анализатор (парсер) строит из них абстрактное синтаксическое дерево;

— семантический анализатор раскладывает семантическую информацию и проверяет на предмет наличия ошибок узлы дерева;

— в результате строится семантический граф. Под этим термином понимают абстрактное синтаксическое дерево с установленными ссылками и дополнительными свойствами;

— генератор промежуточного кода строит граф потока (кортежи группируются в основные блоки);

— машинонезависимый оптимизатор проводит локальную и глобальную оптимизацию, но в основном остается в рамках подпрограмм, при этом упрощает вычисления и сокращает избыточный код. В результате должен получиться модифицированный граф потока;

— для связи базовых блоков в прямолинейный код с передачей управления используется генератор целевого кода. Он создает на ассемблере объектный файл с визуальными регистрами, возможно не слишком эффективными;

— для распределения памяти между виртуальными регистрами и выполнения планирования команд используется машинозависимый оптимизатор-компоновщик. Он также осуществляет преобразование программы, написанной на ассемблере, в настоящий ассемблер с применением конвейерной обработки.

— используются подсистемы обнаружения ошибок и менеджер таблиц символов;

— сканирование и лексический анализ. Сканер используется для конвертации потока знаков исходного кода в поток токенов, убирая комментарии, пробелы и расширяя макросы. Довольно часто сканеры встречаются с такой проблемой, принимать ли во внимание отступы, регистр, вложенные комментарии.

Те ошибки, которые могут встретиться при сканировании, называются лексическими. Они включают в себя следующие:

— отсутствующие в алфавите символы;

— превышение количества знаков в строке или слове;

— не закрытый строковый литерал или знак;

— конец файла в комментарии.

Синтаксический анализ или парсинг применяется для преобразования последовательности токенов в абстрактное синтаксическое дерево. При этом каждый узел дерева сохраняется как объект с именованными полями. Многие из них сами являются узлами дерева. Циклы на этом этапе отсутствуют. При создании парсера нужно в первую очередь обращать внимание на уровень сложности грамматики (LRили LL) и выяснить, имеются ли какие-то правила снятия неоднозначности. Действительно некоторые языки требуют проведения семантического анализа. Ошибки, которые встречаются на данном этапе, называются синтаксическими.

Семантический анализ

При проведении семантического анализа, необходимо, прежде всего, проверить правила допустимости и связать в одно целое части синтаксического дерева для формирования семантического графа путем вставки операции для неявного приведения типов, разрешения ссылок имен и т.п. Понятно, что разные языки программирования имеют различный набор правил допустимости. Если осуществляется компиляция Java-подобных языков, трансляторы могут обнаружить следующие ошибки:

— множественные объявления переменной в пределах области ее действия;

— ссылки не переменную до объявления;

— нарушение правил доступности;

— наличие ссылок на необъявленное имя;

— чересчур большое или, наоборот, недостаточное число аргументов при вызове метода;

Генерация

Путем генерации промежуточного кода производится граф потока, который составлен из кортежей, сгруппированных в базовые блоки. После генерации кода получается реальный машинный код. На первом этапе в традиционных компиляторах для машин RISC на первом этапе создается ассемблер с бесконечным количеством виртуальных регистров. Вероятно, этого не произойдет для машин CISC.

Трансляторы и интерпретаторы языков программирования

Конкретными исполнителями языков программирования являются трансляторы и интерпретаторы.

Транслятор представляет собой программу, на основе которой компьютер преобразует вводимые в него программы на машинный язык, поскольку он может выполнять программы, записанные только на языке его процессора, и алгоритмы, заданные на другом языке, должны быть перед их выполнением переведены на машинный язык.

Транслятор — программа или техническое средство, выполняющее трансляцию программы.

Трансляция программы — преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в программу на другом языке, эквивалентную по результатам выполнения первой. Транслятор обычно выполняет также диагностику ошибок, формирует словари идентификаторов, выдаёт для печати тексты программы и т.д.

Язык, на котором представлена входная программа, называется исходнымязыком, а сама программа — исходным кодом. Выходной язык называется целевым языком или объектным кодом. Цель трансляции — преобразовать текст с одного языка на другой, который понятен адресату текста. В случае программ-трансляторов, адресатом является техническое устройство (процессор) или программа-интерпретатор.

Трансляторы реализуются в виде компиляторов или интерпретаторов. С точки зрения выполнения работы компилятор и интерпретатор существенно различаются.

Язык процессоров (машинный код) является низкоуровневым. Транслятор, который преобразует программы в машинный язык, принимаемый и исполняемый непосредственно процессором, называется компилятором.

Компилятор (англ. compiler — составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется. Результат работы компилятора — бинарный исполняемый файл.

Достоинство компилятора: программа компилируется один раз и при каждом выполнении не требуется дополнительных преобразований. Соответственно, не требуется наличие компилятора на целевой машине, для которой компилируется программа. Недостаток: отдельный этап компиляции замедляет написание и отладку и затрудняет исполнение небольших, несложных или разовых программ.

В случае, если исходный язык является языком ассемблера (низкоуровневым языком, близким к машинному языку), то компилятор такого языка называется ассемблером.

Другой метод реализации — когда программа исполняется с помощью интерпретатора вообще без трансляции.

Интерпретатор (англ. interpreter — истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой.

Интерпретатор программно моделирует машину, цикл выборки-исполнения которой работает с командами на языках высокого уровня, а не с машинными командами. Такое программное моделирование создаёт виртуальную машину, реализующую язык. Этот подход называется чистой интерпретацией. Чистая интерпретация применяется как правило для языков с простой структурой (например, АПЛ или Лисп). Интерпретаторы командной строки обрабатывают команды в скриптах в UNIX или в пакетных файлах (.bat) в MS-DOS также как правило в режиме чистой интерпретации.

Достоинство чистого интерпретатора: отсутствие промежуточных действий для трансляции упрощает реализацию интерпретатора и делает его удобнее в использовании, в том числе в диалоговом режиме. Недостаток — интерпретатор должен быть в наличии на целевой машине, где должна исполняться программа. Также, как правило, имеется более или менее значительный проигрыш в скорости. А свойство чистого интерпретатора, что ошибки в интерпретируемой программе обнаруживаются только при попытке выполнения команды (или строки) с ошибкой, можно признать как недостатком, так и достоинством.

Существуют компромиссные между компиляцией и чистой интерпретацией варианты реализации языков программирования, когда интерпретатор перед исполнением программы транслирует её на промежуточный язык (например, в байт-код или p-код), более удобный для интерпретации (то есть речь идёт об интерпретаторе со встроенным транслятором). Такой метод называется смешанной реализацией. Примером смешанной реализации языка может служить Perl. Этот подход сочетает как достоинства компилятора и интерпретатора (бо?льшая скорость исполнения и удобство использования), так и недостатки (для трансляции и хранения программы на промежуточном языке требуются дополнительные ресурсы; для исполнения программы на целевой машине должен быть представлен интерпретатор). Также, как и в случае компилятора, смешанная реализация требует, чтобы перед исполнением исходный код не содержал ошибок (лексических, синтаксических и семантических).

По мере увеличения ресурсов компьютеров и расширения гетерогенных сетей (в том числе Интернета), связывающих компьютеры разных типов и архитектур, выделился новый вид интерпретации, при котором исходный (или промежуточный) код компилируется в машинный код непосредственно во время исполнения, на лету. Уже скомпилированные участки кода кэшируются, чтобы при повторном обращении к ним они сразу получали управление, без перекомпиляции. Этот подход получил название динамической компиляции.

Достоинством динамической компиляции является то, что скорость интерпретации программ становится сравнимой со скоростью исполнения программ в обычных компилируемых языках, при этом сама программа хранится и распространяется в единственном виде, независимом от целевых платформ. Недостатком является бо?льшая сложность реализации и бо?льшие требования к ресурсам, чем в случае простых компиляторов или чистых интерпретаторов.

Этот метод хорошо подходит для веб-приложений. Соответственно, динамическая компиляция появилась и поддерживается в той или иной мере в реализациях Java, .NET Framework, Perl, Python.

После того, как программа откомпилирована, ни исходный текст программы, ни компилятор более не нужны для исполнения программы. В то же время программа, обрабатываемая интерпретатором, должна заново переводиться на машинный язык при каждом очередном запуске программы. То есть исходный файл является непосредственно исполняемым.

Откомпилированные программы работают быстрее, но интерпретируемые проще исправлять и изменять.

Каждый конкретный язык ориентирован либо на компиляцию, либо на интерпретацию — в зависимости от того, для каких целей он создавался. Например, С++ обычно используется для решения довольно сложных задач, в которых важна скорость работы программ, поэтому данный язык реализуется с помощью компилятора.

Для достижения большей скорости работы программ на интерпретируемых языках программирования может использоваться трансляция в промежуточный байт-код. Языками, позволяющую данную хитрость являются Java, Python и некоторые другие языки программирования.

Алгоритм работы простого интерпретатора:

1. прочитать инструкцию;

2. проанализировать инструкцию и определить соответствующие действия;

3. выполнить соответствующие действия;

4. если не достигнуто условие завершения программы, прочитать следующую инструкцию и перейти к пункту 2

Статьи к прочтению:

Основы программирования #2 Компилятор и интерпретатор

Похожие статьи:

Исходный код программы – код, написанный на языке программирования. Объектный модуль – код программы после трансляции, преобразованный в машинные коды….

ГЛАВА 2. ВВЕДЕНИЕ В ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ История и классификация языков программирования Язык программирования — это способ записи программ решения…

Языки программирования, трансляторы, компиляторы и интерпретаторы;

Языки программирования. В наши дни составлять программы в машинном коде не принято. То есть, это возможно, но не произво-дительно. Вместо этого используют так называемые языки про-граммирования. Языки программирования ближе и понятнее чело-веку, чем машинный язык процессора. Чтобы изучить язык про-граммирования, надо усвоить его команды и правила их использо-вания. Команды языков программирования называются оператора-ми, а правила их использования — правилами синтаксиса. Исходный код программы. Программа, написанная на каком-либо языке программирования, понятна человеку, знакомому с этим языком. Если программа хорошо оформлена, ее можно читать так, как читают статьи или книги. Это позволяет людям обмениваться текстами своих программ, совместно осваивать новые приемы про-граммирования, учиться программированию и учить этому других. Запись программы на языке программирования называют исходным кодом или исходным текстом. Для подготовки исходных текстов программ, как правило, никаких специальных средств не нужно — годится любой текстовый редактор. Программа-транслятор. Исходный текст программы — это про-сто текст, но не работоспособная программа. Читать ее можно, но исполнить на компьютере — нельзя. Процессор не понимает ниче-го, кроме машинного кода, и потому предварительно надо перевес-ти то, что написал человек, в машинный код. Эту работу выполняют специальные программы — трансляторы. Это первое, чего нам не хватает, чтобы начать писать программы на новом, только что при-обретенном компьютере. Программу-транслятор надо установить, но прежде всего надо понять, какую именно. Виды трансляторов. Трансляторы — это программы-переводчики, но перевод бывает разный, и трансляторы тоже быва-ют разные. Две основные разновидности трансляторов называют-ся компиляторами и интерпретаторами.

Программы-компиляторы. Работа __________компилятора похожа на дейст-вия литературного переводчика. Допустим, переводчику дали текст на английском языке и попросили за неделю подготовить литера-турный перевод на русский язык. В этом случае он может несколько раз прочитать текст от начала до конца, найти в нем особо трудные места и обратиться к справочникам. Только после того как текст будет окончательно понят и для каждого предложения будет найден самый лучший перевод, можно приступать к записи нового текста. Именно так работают программы-компиляторы. Они несколько раз просматривают исходный текст, подготовленный программи-стом, выявляют общие места и для каждого оператора подбира-ют оптимальный набор машинных команд. После обработки ис-ходного кода компилятором образуется рабочий код программы, который иногда еще называют объектным кодом. Он записан в ви-де машинных команд. Программы-интерпретаторы. При проведении международных встреч, переговоров и кинофестивалей требуется помощь синхрон-ных переводчиков. Услышав фразу на одном языке, синхронный переводчик тут же переводит ее на другой язык и лишь потом, пе-реходит к следующей фразе. Если какая-то фраза будет повторять-ся, ему придется переводить ее несколько раз. Начиная перевод, синхронный переводчик не знает, чем он закончится, и потому не может учесть множество мелких нюансов, доступных литературно-му переводчику. Синхронный перевод получается более много-словным и грубым, по сравнению с литературным, но есть множе-ство случаев, когда без него обойтись нельзя. Программы-интерпретаторы работают, как синхронные переводчики. Прочи-тав один оператор исходного текста программы, они тут же пе-реводят его в машинный код и сразу подают процессору на испол-нение. Только после того как оператор исполнен, интерпретатор пе-реходит к следующему и снова подает его на исполнение. Если в качестве транслятора используется интерпретатор, то запись ра-бочего кода программы не образуется — в ней просто нет необхо-димости. Под контролем интерпретатора может исполняться обыч-ный исходный текст, подготовленный в редакторе. Сравнение компиляторов и интерпретаторов

Компилируемые и интерпретируемые языки программирования. Языки программирования, для которых созданы компиляторы, называются компилируемыми. Характерные примеры: Паскаль (Pas-cal) и СИ (С). Те языки, для которых преимущественно используют интерпретаторы, называются интерпретируемыми. Характерный пример интерпретируемого языка программирования — Бейсик (Basic), хотя он существует во множестве версий, среди которых иногда встречаются и компилируемые. Достоинства есть как у ком-пиляторов, так и у интерпретаторов. Выбирая для себя язык про-граммирования, автор программы учитывает особенности тех трансляторов, к которым у него есть доступ. Скорость работы программы. Основное достоинство компиля-торов в том, что рабочий код, созданный ими, выполняется компь-ютером в 20-50 раз быстрее, чем под управлением интерпретатора. Такая большая разница возникает за счет того, что программа-интерпретатор выполняет роль посредника между исполняемой программой и процессором. Процессор вынужден одновременно обслуживать и трансляцию, и исполнение программы, поэтому интерпретируемая программа работает медленнее, чем если бы она была сразу подготовлена в машинном коде. Автономность программы. Второе достоинство компиляторов заключается в том, что откомпилированные программы можно за-пускать на любых компьютерах той системы, для которой они под-готовлены. Такие программы называют автономными. Если про-грамма создана на интерпретируемом языке программирования, то ее можно запустить только на том компьютере, где установлен интерпретатор. Для программиста это означает, что он не всегда может передать свою программу другим лицам. Если у них нет со-ответствующего интерпретатора, то на их компьютерах эта про-грамма не заработает. Такие программы называют не автономными от интерпретатора. Все коммерческие программы, приобретаемые на компакт-дисках, и большинство программ, получаемых из Ин-тернета, обработаны компиляторами и потому автономны. Их можно сразу устанавливать на компьютер и запускать, не заботясь о приобретении дополнительного программного обеспечения.

Простота написания программы. Здесь пальма первенства безого-ворочно принадлежит интерпретируемым языкам. Поскольку ин-терпретатор контролирует исполнение каждого оператора, он берет на себя множество дополнительных забот. Так, например, он спосо-бен обнаруживать ошибки в записи операторов непосредственно во время подготовки программы. Нередко интерпретатор способен да-же объяснить, в чем заключается та или иная ошибка. Программы, написанные на компилируемых языках программирования, должны быть оформлены как законченные блоки, иначе компилятор даже не приступит к их обработке. Такие блоки в программировании назы-ваются модулями. Если же программа пишется на интерпретируе-мом языке программирования, ее можно запускать в любой момент. Например, каждый оператор программы можно запускать на испол-нение сразу после его написания. Критические ошибки не отла-женной программы, прошедшей компиляцию, способны остано-вить работу компьютера — привести к его «зависанию» или «сбросу». В таких случаях программисту может оказаться достаточ-но сложно выявить источник ошибки. Если же программа работа-ет под управлением интерпретатора, она не имеет прямого дос-тупа к процессору, и ее ошибки не могут повлиять на работоспо-собность компьютера. То есть, программы, написанные на интер-претируемом языке программирования, отлаживаются проще и бы-стрее. Интерпретируемые языки программирования очень удобно использовать в качестве учебных. В частности, они позволяют экс-периментировать со знакомыми, малознакомыми и совсем не зна-комыми операторами. С другой стороны, компилируемые языки программирования имеют широкое применение в создании коммер-ческих программ.

НБФ-нотации

Модели трансляции

Трансляторы

Программа, написанная на языке высокого уровня, перед исполнением должна быть преобразована в программу на «машинном языке». Такой процесс называется трансляцией, или компиляцией. По типу выходных данных различают два основных вида трансляторов:

• компилирующие окончательный выполнимый код;
• компилирующие интерпретируемый код, для выполнения которого требуется дополнительное программное обеспечение.

Окончательным выполнимым кодом являются приложения, реализованные как EXE-файлы, DLL-библиотеки, COM-компоненты. К интерпретируемому коду можно отнести байт-код JAVA-программ, выполняемый посредством виртуальной машины JVM.

Языки, формирующие окончательный выполнимый код, называются компилируемыми языками. К ним относятся языки С, C++, FORTRAN, Pascal. Языки, реализующие интерпретируемый код, называются интерпретируемыми языками. К таким языкам относятся язык Java, LISP, Perl, Prolog.

В большинстве случаев код, получаемый в результате процесса трансляции, формируется из нескольких программных модулей. Программным модулем называется определенным образом оформленный код на языке высокого уровня. Процесс трансляции в этом случае может выполняться как единое целое – компиляция и редактирование связей, или как два отдельных этапа – сначала компиляция объектных модулей, а затем вызов редактора связей, создающего окончательный код. Последний подход более удобен для разработки программ. Он реализован в трансляторах языков С и С++.

Объектный код, создаваемый компилятором, представляет собой область данных и область машинных команд, имеющих адреса, которые в дальнейшем «согласуются» редактором связи (иногда называемым загрузчиком). Редактор связи размещает в едином адресном пространстве все по отдельности откомпилированные объектные модули и статически подключаемые библиотеки.

Будем называть выполнимой формой программы код, получаемый в результате трансляции исходной программы.

Процесс трансляции

Программу, написанную на языке программирования высокого уровня, называют исходной программой, а каждую самостоятельную программную единицу, образующую данную программу, — программным модулем. Для преобразования исходной программы в ее выполняемую форму (выполнимый файл) транслятор выполняет некоторую последовательность действий. Эта последовательность зависит как от языка программирования, так и от конкретной реализации самого транслятора. В ходе трансляции важно не просто откомпилировать программу, а получить при этом достаточно эффективный код.

В процессе трансляции выполняется анализ исходной программы, а затем синтез выполнимой формы данной программы. В зависимости от числа просмотров исходной программы, выполняемых компилятором, трансляторы разделяются на однопроходные, двухпроходные и трансляторы, использующие более двух проходов.

К достоинствам однопроходного компилятора можно отнести высокую скорость компиляции, а к недостаткам — получение, как правило, не самого эффективного кода.

Широкое распространение получили двухпроходные компиляторы. Они позволяют при первом проходе выполнить анализ программы и построить информационные таблицы, используемые при втором проходе для формирования объектного кода.

На рисунке 2.1 представлены основные этапы, выполняемые в процессе трансляции исходной программы.

Фаза анализа программы состоит из:

• лексического анализа;
• синтаксического анализа;
• семантического анализа.

При анализе исходной программы транслятор последовательно просматривает текст программы, представимой как набор символов, выполняя разбор структуры программы.

На этапе лексического анализа выполняется выделение основных составляющих программы – лексем. Лексемами являются ключевые слова, идентификаторы, символы операций, комментарии, пробелы и разделители. Лексический анализатор не только выделяет лексемы, но и определяет тип каждой лексемы. При этом на этапе лексического анализа составляется таблица символов, в которой каждому идентификатору сопоставлен свой адрес. Это позволяет при дальнейшем анализе вместо конкретного значения (строки символов) использовать его адрес в таблице символов.

Процесс выделения лексем достаточно трудоемок и требует применения сложных контекстно-зависимых алгоритмов.

На этапе синтаксического анализа выполняется разбор полученных лексем с целью получения семантически понятных синтаксических единиц, которые затем обрабатываются семантическим анализатором. Так, синтаксическими единицами выступают выражения, объявление, оператор языка программирования, вызов функции.

На этапе семантического анализа выполняется обработка синтаксических единиц и создание промежуточного кода . В зависимости от наличия или отсутствия фазы оптимизации результатом семантического анализа может быть оптимизируемый далее промежуточный код или готовый объектный модуль.

К наиболее общим задачам, решаемым семантическим анализатором, относятся:

• обнаружение ошибок времени компиляции;
• заполнение таблицы символов, созданной на этапе лексического анализа, конкретными значениями, определяющими дополнительную информацию о каждом элементе таблицы;
• замена макросов их определениями;
• выполнение директив времени компиляции.

Макросом называется некоторый предварительно определенный код, который на этапе компиляции вставляется в программу во всех местах указания вызова данного макроса.

На фазе синтеза программы производится:

• генерация кода;
• редактирование связей.

Процесс генерации кода состоит из преобразования промежуточного кода (или оптимизированного кода) в объектный код. При этом в зависимости от языка программирования получаемый объектный код может быть представлен в выполнимой форме или как объектный модуль, подлежащий дальнейшей обработке редактором связей.

Так, процесс генерации кода является неотъемлемой частью фазы синтеза программы, а необходимость выполнения редактора связей зависит от конкретного языка программирования. Следует учесть, что на практике термин «генерация кода» часто применяют ко всем действиям фазы синтеза программы, ведущим к получению выполнимой формы программы.

Редактор связей приводит в соответствие адреса фрагментов кода, расположенных в отдельных объектных модулях: определяются адреса вызываемых внешних функций, адреса внешних переменных, адреса функций и методов каждого модуля. Для редактирования адресов редактор связей использует специальные, создаваемые на этапе трансляции, таблицы загрузчика. После обработки объектных модулей редактором связей генерируется выполнимая форма программы.