O papel de um compilador na programação de computador
Um compilador é um software crucial que atua como um tradutor entre linguagens de programação de alto nível legíveis por humanos (como python, java, c ++, etc.) e o código de máquina de baixo nível executável da máquina
(código binário) que o processador de um computador pode entender e executar diretamente.
em essência, o papel do compilador é: 1.
Traduzir código-fonte de alto nível em código da máquina: Esta é a função principal. O compilador pega o código -fonte escrito por um programador e o converte em uma série de instruções que a CPU do computador pode executar.
2.
Execute a detecção de erro: Durante o processo de compilação, o compilador analisa o código -fonte para erros de sintaxe, erros semânticos e outras violações das regras da linguagem de programação. Ele sinaliza esses erros e fornece mensagens informativas ao programador, permitindo que eles corrigissem o código antes da execução.
3.
otimizar o código (opcional, mas comum): Muitos compiladores incluem recursos de otimização para melhorar a eficiência do código da máquina gerado. Esta otimização pode envolver:
*
reduzindo o tamanho do código: Tornando o arquivo executável menor.
*
Melhorando a velocidade de execução: Tornar o programa funcionar mais rápido usando algoritmos ou sequências de instruções mais eficientes.
*
otimizando o uso da memória: Reduzindo a quantidade de memória que o programa precisa.
4.
Link Bibliotecas externas: Os idiomas de alto nível geralmente dependem de bibliotecas externas (coleções pré-escritas de funções) para fornecer funcionalidade. O compilador geralmente funciona com um vinculador para resolver referências a essas bibliotecas e incluir o código necessário no executável final.
Por que os compiladores são necessários? *
O código da máquina é ilegível e difícil de escrever: Escrever diretamente no código da máquina é extremamente complexo e tedioso. Línguas de alto nível oferecem abstração, permitindo que os programadores expressassem a lógica de uma maneira mais natural e compreensível.
*
Portabilidade: Os idiomas de alto nível geralmente são projetados para serem relativamente independentes da plataforma. Os compiladores permitem que o mesmo código -fonte seja compilado para diferentes sistemas operacionais (Windows, MacOS, Linux) e arquiteturas da CPU (x86, ARM), embora às vezes ainda sejam necessárias modificações.
Como um compilador traduz linguagens de alto nível em código de máquina
O processo de compilação é normalmente dividido em várias fases distintas, cada uma executando uma tarefa específica:
1.
- O código -fonte é lido caractere por caractere.
- O código é dividido em um fluxo de tokens
, que são blocos básicos de construção, como palavras -chave, identificadores (nomes de variáveis), operadores e constantes.
- Espaço em branco e comentários são frequentemente removidos.
Exemplo (Python): `` `Python
x =5 + y
`` `
Tokens gerados: * `Identificador` (x)
* `Atribuições_operator` (=)
* `Integer_literal` (5)
* `Plus_operator` (+)
* `Identificador` (y)
2.
Análise de sintaxe (análise): - Os tokens são organizados em uma estrutura hierárquica chamada
parse árvore (ou árvore de sintaxe abstrata, AST) com base na gramática da linguagem de programação.
- A árvore de análise representa a estrutura sintática do programa.
- Verifica se os tokens são organizados de acordo com as regras gramaticais do idioma. Os erros de sintaxe são detectados aqui (por exemplo, semicolons ausentes em C ++).
Exemplo (Parse Tree): A árvore de análise para `x =5 + y` representaria que a atribuição é a operação de nível superior, com a variável` x` à esquerda e a expressão `5 + y` à direita.
3.
Análise semântica: - O compilador analisa o significado (semântica) do código.
- A verificação do tipo é executada para garantir que as operações sejam executadas em tipos de dados compatíveis (por exemplo, adicionar uma string a um número inteiro seria um erro semântico).
- As declarações variáveis são verificadas para garantir que as variáveis sejam definidas adequadamente antes de serem usadas.
- As regras de escopo são aplicadas para determinar a visibilidade e a vida útil das variáveis.
- Erros semânticos são detectados (por exemplo, usando uma variável não declarada).
4.
Geração intermediária de código (opcional): - O compilador pode gerar uma representação intermediária (IR) do código.
- O IR é uma representação independente do idioma que simplifica as fases subsequentes de otimização e geração de código.
- O IRS comum inclui o código de três endereço e o formulário de atribuição única estática (SSA).
Exemplo (código de três adolescentes): `` `
T1 =5 + y
x =t1
`` `
5.
otimização de código: - O compilador tenta melhorar o código intermediário (ou a árvore de análise inicial) para produzir um código de máquina mais eficiente.
- Técnicas de otimização incluem:
*
dobrar constante: Avaliando expressões constantes no tempo de compilação.
*
eliminação de código morto: Remoção de código que não afeta a saída do programa.
*
Loop Unrolling: Expandir loops para reduzir a sobrecarga do loop.
*
Alocação de registro: Atribuindo variáveis aos registros da CPU para melhorar a velocidade de acesso.
6.
geração de código: - O compilador traduz o código intermediário otimizado (ou a árvore de análise) no código da máquina específico para a arquitetura de destino.
- Isso envolve a seleção de instruções apropriadas da CPU para executar as operações representadas no IR.
- Endereços de memória são atribuídos a variáveis.
- O código da máquina gerado geralmente está na forma de linguagem de montagem, que é então convertida em código binário por um assembler.
7. Linking (Linker):
- O vinculador combina o código da máquina gerado com as bibliotecas necessárias (funções e dados pré-compilados) para criar o arquivo executável final.
- Resolve referências entre diferentes arquivos de objeto (arquivos de código -fonte compilados).
Exemplo simplificado (C ++ para montagem): Digamos que você tenha o seguinte código C ++:
`` `c ++
int main () {
int x =5;
int y =10;
int z =x + y;
retornar 0;
}
`` `
Um processo de compilação simplificado pode gerar o seguinte código de montagem (muito básico) (para arquitetura x86):
`` `Assembléia
Seção .Data
; Nenhuma seção de dados neste exemplo
Seção .Text
Global _start
_começar:
; x =5
mov eax, 5; Mova o valor 5 para o registro EAX (usado para x)
; y =10
mov ebx, 10; Mova o valor 10 para o registro EBX (usado para y)
; z =x + y
adicione eax, ebx; Adicione o valor no EBX ao EAX (EAX agora contém x + y)
; retornar 0
mov eax, 0; Defina o valor de retorno para 0
mov ebx, 0; Código de status de saída
mov ecx, eax; Coloque Eax em ECX
mov edx, ebx; Coloque EBX em EDX
mov ESI, ECX; Coloque o ECX em ESI
mov edi, edx; Coloque o EDX em EDI
Mov Esp, ESI; Coloque ESI em ESP
mov ebp, edi; Coloque EDI em EBP
mov al, 60
syscall
`` `
Teclas de chave: * Os compiladores são essenciais para a ponte da lacuna entre as linguagens de programação amigas do ser humano e o código da máquina de baixo nível que os computadores entendem.
* O processo de compilação envolve várias fases, cada uma responsável por uma tarefa específica:análise lexical, análise de sintaxe, análise semântica, geração de código intermediário (opcional), otimização de código, geração de código e vinculação.
* Usando compiladores, os programadores podem escrever código de uma maneira mais produtiva e sustentável, enquanto ainda alcançam a execução eficiente em uma variedade de plataformas de hardware.
