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7/31/2019 Aula 1 Introduc3a7c3a3o c3a0 ores

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Compiladores 1

Introduo

Linguagens de programao so notaes para se descrever computaes parapessoas e para mquinas. Todo software executado em todos os computadores foiescrito em alguma linguagem de programao.

As linguagens de programao podem ser classificadas em cinco geraes:1)Linguagens de mquina: permitem a comunicao direta com o computador em

termos de bits, registradores e operaes de mquina bastante primitivas.2)Linguagens simblicas (Assembly): projetadas para minimizar as dificuldades da

programao em notao binria.Utiliza mnemnicos.3)Linguagens orientadas ao usurio (Fortran, Pascal, Basic, etc): linguagens

procedurais, isto , um programa especifica uma sequncia de passos a seremseguidos para solucionar o problema, e linguagens declarativas que se baseiam nateoria das funes recursivas (funcionais) e de lgica matemtica (lgicas).

4)Linguagens orientadas aplicao (Excel, SQL, Framework, etc): visam facilitar aprogramao de computadores, apressar o processo de desenvolvimento deaplicaes, facilitar a manuteno de aplicaes, reduzindo custos, minimizarproblemas de depurao e gerar cdigos sem erros a partir de requisitos deexpresses de alto nvel.

5)Linguagens de conhecimento: usadas principalmente na rea de IntelignciaArtificial. Facilitam a representao do conhecimento que essencial para asimulao de comportamentos inteligentes.

Mas, antes que possa rodar, um programa primeiro precisa ser traduzido para umformato que lhe permita ser executado por um computador.

Os sistemas de software que fazem essa traduo so denominados

compiladores.Compiladores so programas de computador que traduzem de uma linguagem

para outra. Um programa recebe como entrada um programa escrito na linguagem-fontee produz um programa equivalente na linguagem-alvo.

Geralmente, a linguagem-fonte uma linguagem de alto nvel, como C ou C++,e a linguagem-alvo um cdigo-objeto (cdigo de mquina) para a mquina-alvo.

Tradutores de Linguagens de Programao

Os tradutores de linguagens de programao podem ser classificados em:Montadores (assemblers): um tradutor para a linguagem de montagem(Assembly) de um computador em particular. Geralmente uma instruo delinguagem simblica (de montagem) para uma instruo de mquina. Por vezes umcompilador ir gerar uma linguagem de montagem como sua linguagem-alvo e, emseguida, contar com um montador para concluir a traduo para o cdigo-objeto.Compiladores: so tradutores que mapeiam programas escritos em linguagem de

alto nvel para programas equivalentes em linguagem simblica ou de mquina.

COMPILADORPrograma fonte Programa objeto


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2 Introduo

Pr-compiladores (pr-processadores): so processadores que mapeiam instruesescritas numa linguagem de alto nvel estendida para instrues da linguagem deprogramao original, ou seja, so tradutores que efetuam converses entre duaslinguagens de alto-nvel. um programa separado, ativado pelo compilador antes do incio da traduo. Ele

pode apagar comentrios, incluir outros arquivos e executar substituies de macros.Interpretadores: um tradutor de linguagens, assim como um compilador. Adiferena que o interpretador executa o programa-fonte de imediato, em vez degerar um cdigo-objeto que seja executado aps o trmino da traduo. Osinterpretadores processam uma forma intermediria do programa fonte e dados aomesmo tempo. A interpretao da forma interna do fonte ocorre em tempo deexecuo, no sendo gerado um programa objeto.

O intervalo de tempo no qual ocorre a converso de um programa fonte para umprograma objeto chamado de tempo de compilao.

O programa objeto executado no intervalo de tempo chamado tempo deexecuo.

O programa fonte e os dados so processados em momentos distintos,respectivamente, tempo de compilao e tempo de execuo.

Os interpretadores so, geralmente, menores que os compiladores e facilitam aimplementao de construes complexas de linguagens de programao.

O tempo de execuo de um programa interpretado maior que o temponecessrio para executar um programa compilado equivalente. O cdigo objetocompilado dez ou mais vezes mais rpido que o cdigo fonte interpretado.

A estrutura de um tradutor

Os tradutores de linguagens de programao (compiladores, interpretadores) soconstitudos internamento por passos (fases) para operaes lgicas distintas.

No processo de traduo existem duas partes: anlise e sntese.A anlise (front-end) subdivide o programa fonte em partes constituintes e

impe uma estrutura gramatical sobre elas. Depois, usa essa estrutura para criar umarepresentao intermediria do programa fonte. A anlise detecta m formao sintticae erros semnticos, oferecendo mensagens esclarecedoras, para que o usurio possatomar a ao corretiva. A anlise tambm coleta informaes sobre o programa fonte eas armazena em uma estrutura de dados chamada tabela de smbolos.

A sntese (back-end) constri o programa objeto a partir da representaointermediria e das informaes na tabela de smbolos.

Anlise Lxica

O objetivo desta fase identificar sequncias de caracteres que constituemunidades lxicas (tokens, lexemas).

O analisador lxico l o fluxo de caracteres que compem o programa fonte e osagrupa em sequncias significativas (lexemas).

O analisador lxico verifica se os caracteres lidos pertencem ao alfabeto dalinguagem, identificando tokens e desprezando comentrios e brandos desnecessrios.

Os tokens constituem classes de smbolos tais como palavras reservadas,delimitadores, identificadores, etc.

Para cada lexema, o analisador lxico produz como sada um token no formato:

que ele passa para a fase de anlise sinttica. Palavras reservadas, operadores edelimitadores so representados pelos prprios smbolos.


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O analisador lxico, em geral, inicia a construo da tabela de smbolos e enviamensagens de erro caso identifique unidades lxicas no aceitas pela linguagem emquesto.

Exemplo 1: Suponha que um programa fonte contenha o comando de atribuioposition = initial + rate * 60

Os caracteres nessa atribuio poderiam ser agrupados nos seguintes lexemas emapeados para os seguintes tokens passados ao analisador sinttico:

Lexema Smbolo Significado Entrada Tokenposition id identificador 1 =

initial id identificador 2 +

rate id identificador 3 *

60 nmero inteiro 4 Aps a anlise lxica a representao do comando de atribuio fica como umasequncia de tokens:

Exemplo 2: Considere a linha de cdigo a seguir, que poderia pertencer a um programaem C.

a [index] = 4 + 2

Esse cdigo contm 12 caracteres diferentes de espao, mas somente 8 marcas:Lexema Smbolo Significado Entrada Tokena id identificador 1 [

index id identificador 2 ]


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Lexema Smbolo Significado Entrada Token=

4 nmero inteiro 3 +

2 nmero inteiro 4

Os caracteres nessa atribuio poderiam ser mapeados para os seguintes tokenspassados para o analisador sinttico:

Exemplo 3: Seja o seguinte texto fonte em Pascal.while i < 100 do i := j + i ;

Os caracteres nessa atribuio poderiam ser mapeados para os seguintes tokenspassados para o analisador sinttico:

Lexema Smbolo Significado Entrada Tokenwhile

i id identificador 1 <


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Exemplo 2: Considere a linha de cdigo em Ca [index] = 4 + 2

que representa um elemento estrutural denominado expresso (uma expresso deatribuio), composta por uma expresso indexada esquerda e uma expressoaritmtica de inteiros direita.

Esta estrutura pode ser representada em uma rvore de anlise sinttica (rvoresinttica) da seguinte forma:

Exemplo 3: Considere o seguinte comando Pascal.while do ;

Nesse caso, a estrutura deve apresentar-se sintaticamente correta, esua avaliao deve retornar um valor do tipo lgico.

Considerando o comando while do exemplo, o analisador sinttico produzir arvore de derivao a partir da sequncia de tokens liberada pelo analisador lxico.

Anlise semntica

o significado de um programa, contrastando com sua sintaxe ou estrutura.O analisador semntico utiliza a rvore de sintaxe e as informaes na tabela de

smbolos para verificar a consistncia semntica do programa fonte com a definio dalinguagem. Ele tambm rene informaes sobre os tipos e as salva na rvore de sintaxeou tabela de smbolos, para uso subsequente durante a gerao de cdigo intermedirio.

Na verificao de tipo o compilador verifica se cada operador possui operandoscompatveis.

A especificao da linguagem pode permitir algumas converses de tiposchamada coeres. Por exemplo, se um operador for aplicado a um nmero de ponto

expresso

expresso de atribuio

=expresso expresso

expresso indexada Expresso aritmtica

expresso [ expresso ] expresso + expresso

id, 1 id, 2 Nmero, 3 Nmero, 4


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flutuante e a um inteiro, o compilador pode converter ou coagir o inteiro para umnmero de ponto flutuante.

Exemplo 1: No exemplo da expresso em Ca[index] = 4+2

as informaes de tipos tpicas que poderiam ser obtidas antes de analisar essa linha

seriam:a um vetor de valores inteiros com ndices de um intervalo de inteirosindex uma varivel de inteiros

O analisador semntico anota na rvore sinttica com os tipos de todas assubexpresses e verifica se as atribuies fazem sentido para esses tipos, caso contrriodeclara um erro de divergncia entre tipos.

Exemplo 2: Suponha:position = initial + rate * 60

que position, initial e rate foram declaradas como nmeros de ponto flutuante, e que olexema 60 tenha a forma de um inteiro.

O verificador de tipos no analisador semntico descobre que o operador *

aplicado a um nmero de ponto flutuante rate e a um inteiro 60. Nesse caso, o inteiropode ser convertido em um nmero de ponto flutuante.

Gerao de cdigo intermedirio

No processo de traduzir um programa fonte para um cdigo objeto, umcompilador pode produzir uma ou mais representaes intermedirias. As rvores desintaxe denotam uma forma de representao intermediria.

Esta fase gera como sada uma sequncia de cdigo, que pode, eventualmente,ser o cdigo objeto final, mas, na maioria das vezes, constitui-se num cdigointermedirio.

A representao intermediria explcita de baixo nvel (linguagem de mquina)

um programa para uma mquina abstrata. Essa representao intermediria deve terduas propriedades importantes:

expresso de atribuio

expresso indexadainteiro

expresso de adiointeiro

identificadora

identificadorindex

vetor de

inteirosinteiro

nmero

4inteiro

nmero

2

inteiro

=

id, 1

+

id, 2

=

id, 3

intfloat

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ser facilmente produzida eser facilmente traduzida para a mquina alvo.

A traduo de cdigo fonte para objeto em mais de um passo apresenta algumasvantagens:

possibilita a otimizao de cdigo intermedirio, de modo a obter-se o cdigo objeto

final mais eficiente;resolve, gradualmente, as dificuldades da passagem de cdigo fonte para cdigoobjeto (alto nvel para baixo nvel), j que o cdigo fonte pode ser visto como umtexto condensado que explode em inmeras instrues elementares de baixo nvel.

Exemplo 1: Para o comando de atribuioposition = initial + rate * 60

o gerador de cdigo intermedirio, recebendo a rvore de derivao, produziria aseguinte sequncia de instrues:t1 = inttofloat(60)

t2 = id3 * t1

t3 = id2 + t2

id1 = t3

Consideramos uma forma intermediria, chamada cdigo de trs endereos, queconsiste em uma sequncia de instrues do tipo assembler com trs operandos porinstruo. Cada operando pode atuar como um registrador. A sada do gerador decdigo intermedirio consiste em uma sequncia de instrues ou cdigo de trsendereos.

Exemplo 2: Para o comando while apresentado anteriormente, o gerador de cdigointermedirio, recebendo a rvore de derivao, poderia produzir a seguinte sequnciade instrues:L0 if i < 100 goto L1

goto L2

L1 t := j + i

i := t

goto L0

L2 ...

H vrios tipos de cdigo intermedirio: qudruplas, triplas, notao polonesaps-fixada, etc. A linguagem intermediria do exemplo acima chamada cdigo de trsendereos (cada instruo tem no mximo trs operandos).

Exemplo 3: Um cdigo de trs endereos para a expresso a[index] = 4+2 em Cpoderia ficar assim:t = 4 + 2

a[index] = tObserve o uso de uma varivel temporria adicional t para armazenar oresultado intermedirio.

Vrios pontos precisam ser observados em relao aos cdigos de trsendereos:1)Cada instruo de atribuio de trs endereos possui no mximo um operador do

lado direito. Assim, essas instrues determinam a ordem em que as operaesdevem ser realizadas.

2)O compilador precisa gerar um nome temporrio para guardar o valor computadorpor uma instruo de trs endereos.

3)Algumas instrues de trs endereos possuem menos de trs operandos.


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Otimizao de cdigo

Tem por objetivo otimizar o cdigo intermedirio em termos de velocidade deexecuo e espao de memria.

Esta fase independente das arquiteturas de mquina faz algumas transformaesno cdigo intermedirio com o objetivo de produzir um cdigo objeto melhor.

Melhor significa mais rpido, cdigo menor, que consuma menos energia.Exemplo 1: O otimizador de cdigo melhoraria o cdigo

a[index] = 4 + 2

em dois passos, inicialmente computando o resultado da adiot = 6

a[index] = t

e depois substituindo t por seu valor, para obter a declarao de trs endereosa[index] = 6

Exemplo 2: Na atribuioposition = initial + rate * 60

o otimizador pode deduzir que a converso do valor inteiro para ponto flutuante pode

ser feita de uma vez por todas durante a compilao. Alm do mais, t3 usado apenasuma vez na atribuio de seu valor para id1, portanto o otimizador pode elimin-lotransformando em uma sequncia de cdigo menor.t1 = id3 * 60.0

id1 = id2 + t1

Exemplo 3: Considerando o cdigo intermedirio do exemplo do comando while, ocdigo otimizado poderia ser:L0 if i 100 goto L2

i := j + i

goto L0

L2 ...

O nmero de otimizaes de cdigo realizadas por diferentes compiladores variamuito. Quanto mais otimizaes, mais tempo gasto nessa faze. Existem otimizaessimples que melhoram significativamente o tempo de execuo do programa objeto sematrasar muito a compilao.

Gerao de cdigo

Tem como objetivos: produo de cdigo objeto, reserva de memria paraconstantes e variveis, seleo de registradores, etc. Um aspecto crtico da gerao decdigo est relacionado cuidadosa atribuio dos registradores s variveis doprograma.

Nessa fase da compilao as propriedades da mquina-alvo tornam-se o fatorprincipal.

Exemplo 1: Para a expresso em C,a [index] = 4 + 2

precisamos decidir como armazenar inteiros para gerar o cdigo de indexao dematrizes. Uma sequncia de cdigo possvel para a expresso dada poderia ser:MOV R0, index // valor de ndex R0

MUL R0, 2 // dobra valor em R0

MOV R1, &a // endereo de a R1

ADD R1, R0 // adiciona R0 a R1

MOV *R1, 6 // constante 6 endereo em R1


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&a o endereo de a, o endereo inicial da matriz. *R1 significa oendereamento indireto de registro, a ltima instruo armazena o valor 6 no endereocontido em R1.

Nesse cdigo assumimos que a mquina efetua endereamento de bytes e queinteiros ocupam dois bytes de memria.

No cdigo alvo so possveis diversas melhorias.Usar a instruo de deslocamento para substituir a multiplicao na segundainstruoUsar um modo de endereamento indexado para armazenar a matriz.

Com essas duas otimizaes o cdigo-alvo fica assim:MOV R0, index // valor de ndex R0

SHL R0 // dobra valor em R0

MOV &a [R0], 6 // constante 6 endereo a + R0

Exemplo 2: Na atribuioposition = initial + rate * 60

usando os registradores R1 e R2, o cdigo intermedirio poderia ser traduzido para o

cdigo de mquinaLDF R2, id3 // carrega o contedo do endereo id3 no registrador R2

MULF R2, R2, #60.0 // multiplica pela constante de ponto flutuante 60.0

LDF R1, id2 // move id2 para o registrador R1

ADDF R1, R1, R2 // soma o valor contido no registrador R1 com o valor previamentecalculado no registrador R2

STF id1, R1 // o valor no registrador R1 armazenado no endereo id1

O F diz que a instruo manipula nmeros de ponto flutuante. O # significa queo valor 60.0 deve ser tratado como uma constante imediata.

A gerao de cdigo ignorou a questo relativa alocao de espao na memriapara os identificadores do programa fonte. A organizao de memria em tempo de

execuo depende da linguagem sendo compilada. Decises sobre a alocao de espaopodem ser tomadas em dois momentos: durante a gerao de cdigo intermedirio oudurante a gerao do cdigo.

Exemplo 3: A partir do cdigo intermedirio otimizado para o comando whileapresentando como exemplo, obter-se-ia o cdigo objeto final baseado na linguagemsimblica de um microprocessador PC 8086.L0 MOV AX, i // move o contedo do endereo i para o registrador AX

CMP AX, 100 // compara 100 com o contedo do registrador AX

JGE L2 // faz um salto condicional para L2

MOV AX, j // move o contedo do endereo j para o registrador AX

MOV BX, i // move o contedo do endereo i para o registrador BX

ADD BX // adiciona o contedo do registrador BXMOV i, AX // move o contedo do registrador AX para o endereo i

JMP L0 // faz um salto incondicional para L0

L2 ...

Exerccios

1. No contexto de implementao de linguagem de programao, d o significado dosseguintes termos: compilador, interpretador, montador e pr-compilador.

2. Aponte vantagens e desvantagens dos interpretadores em relao aos compiladores.3. Explique o processo de compilao: fases e seu inter-relacionamento.4. Dada a declarao em C

a[i+1] = a[i] + 2


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desenhe uma rvore de anlise sinttica e uma rvore sinttica para a expresso.5. Por exemplo, o cdigo em C

x = 4;

y = x + 2;

faa a otimizao.

Bibliografia

Compiladores: princpios, tcnicas e ferramentasAho, Alfred. Lam, Monica. Sethi, Ravi. Ullman, Jeffrey D.So Paulo: Pearson Addison-Wesley, 2008.

Compiladores: princpios e prticasLouden, Kenneth C.So Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004

Implementao de linguagens de programao: CompiladoresPrice, Ana. Toscani, SimoPorto Alegre: Bookman: Instituto de Informtica da UFRGS, 2008.

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