COMPILADORES

COMPILADORES

Un compilador es un programa que puede leer un programa en un lenguaje (el lenguaje fuente) y traducirlo en un programa equivalente en otro lenguaje (el lenguaje destino)
Una función importante del compilador es reportar cualquier error en el programa fuente que detecte durante el proceso de traducción.
1. Además de un compilador, pueden requerirse otros programas más para la creación de un programa destino ejecutable.
  1. preprocesador
  2. Ensamblador
  3. Enlazador
  4. Cargador
Su estructura
1. Hemos tratado al compilador como una caja simple que mapea un programa fuente a un programa destino, pero se llega a dividir en dos procesos
  1. Análisis
    1. La parte del análisis también recolecta información sobre el programa fuente y la almacena en una estructura de datos lla- mada tabla de símbolos,
  2. síntesis
    1. Construye el programa destino deseado a partir de la representación intermedia y de la información en la tabla de símbolos.
Análisis de léxico
1. A la primera fase de un compilador se le llama análisis de léxico o escaneo. El analizador de léxico lee el flujo de caracteres que componen el programa fuente y los agrupa en secuencias conocidas como lexemas
  1. Para cada lexema, el analizador léxico produce como salida un token
    1. En el token, el primer componente nom- bre-token es un símbolo abstracto que se utiliza durante el análisis sintáctico, y el segundo componente valor-atributo
Análisis sintáctico
1. La segunda fase del compilador es el análisis sintáctico o parsing.
  1. Utiliza los primeros componentes de los tokens producidos por el analizador de léxico para crear una representación intermedia en forma de árbol que describa la estructura gramatical del flujo de tokens.
    1. Las fases siguientes del compilador utilizan la estructura gramatical para ayudar a analizar el programa fuente y generar el programa destino
Análisis semántico
1. utiliza el árbol sintáctico y la información en la tabla de símbolos para comprobar la consistencia semántica del programa fuente con la definición del lenguaje
  1. Recopila información sobre el tipo y la guarda, ya sea en el árbol sintáctico o en la tabla de símbolos, para usarla más tarde durante la generación de código intermedio.
    1. La comprobación (verificación) es una parte importante del análisis semántico
      1. El compilador verifica que cada operador tenga operandos que coincidan
        El compilador debe reportar un error si se utiliza un número de punto flotante para indexar el arreglo.
Generación de código intermedio
1. Un compilador puede construir una o más representaciones intermedias, las cuales pueden tener una variedad de formas
  1. Los árboles sintácticos son una forma de representación intermedia; por lo general, se utilizan durante el análisis sintáctico y semántico.
    1. Después del análisis sintáctico y semántico del programa fuente, muchos compiladores generan un nivel bajo explícito, o una representación intermedia similar al código máquina, que podemos considerar como un programa para una máquina abstracta
      1. Hay varios puntos que vale la pena mencionar sobre las instrucciones de tres direcciones
        primer lugar, cada instrucción de asignación de tres direcciones tiene, por lo menos, un operador del lado derecho
        En segundo lugar, el compilador debe generar un nombre temporal para guardar el valor calculado por una instrucción de tres direcciones
        En tercer lugar, algunas “instrucciones de tres direcciones” como la primera y la última en la secuencia
Optimización de código
1. La fase de optimización de código independiente de la máquina trata de mejorar el código intermedio, de manera que se produzca un mejor código destino.
  1. pueden lograrse otros objetivos, como un código más corto, o un código de destino que consuma menos poder
    1. Por ejemplo, un algoritmo directo genera el código intermedio (1.3), usando una instrucción para cada operador en la representación tipo árbol que produce el analizador semántico
      1. El optimizador puede deducir que la conversión del 60, de entero a punto flotante, puede realizarse de una vez por todas en tiempo de compilación, por lo que se puede eliminar la operación inttofloat
        Hay una gran variación en la cantidad de optimización de código que realizan los distintos compiladores. En aquellos que realizan la mayor optimización, a los que se les denomina como “compiladores optimizadores”,
        Hay optimizaciones simples que mejoran en forma considerable el tiempo de ejecución del programa destino, sin reducir demasiado la velocidad de la compilación.
Generación de código
1. El generador de código recibe como entrada una representación intermedia del programa fuente y la asigna al lenguaje destino
  1. Si el lenguaje destino es código máquina, se seleccionan registros o ubicaciones (localidades) de memoria para cada una de las variables que utiliza el programa.
    1. las instrucciones intermedias se traducen en secuencias de instrucciones de máquina que realizan la misma tarea.
      1. Un aspecto crucial de la generación de código es la asignación juiciosa de los registros para guardar las variables.
        En esta explicación sobre la generación de código hemos ignorado una cuestión importante: la asignación de espacio de almacenamiento para los identificadores en el programa fuente.
        la organización del espacio de almacenamiento en tiempo de ejecución depende del lenguaje que se esté compilando. Las decisiones sobre la asignación de espacio de almacenamiento se realizan durante la generación de código intermedio, o durante la generación de código.
Administración de la tabla de símbolos
1. Una función esencial de un compilador es registrar los nombres de las variables que se utilizan en el programa fuente, y recolectar información sobre varios atributos de cada nombre.
  1. Una función esencial de un compilador es registrar los nombres de las variables que se utilizan en el programa fuente, y recolectar información sobre varios atributos de cada nombre.
    1. el caso de los nombres de procedimientos, cosas como el número y los tipos de sus argumentos, el método para pasar cada argumento (por ejemplo, por valor o por referencia) y el tipo devuelto
      1. La tabla de símbolos es una estructura de datos que contiene un registro para cada nombre de variable, con campos para los atributos del nombre
        La estructura de datos debe diseñarse de tal forma que permita al compilador buscar el registro para cada nombre, y almacenar u obtener datos de ese registro con rapidez
El agrupamiento de fases en pasadas
1. El tema sobre las fases tiene que ver con la organización lógica de un compilador. En una implementación, las actividades de varias fases pueden agruparse en una pasada,
  1. las fases correspondientes al front-end del análisis léxico, análisis sintáctico, análisis semántico y generación de código intermedio podrían agruparse en una sola pasada.
    1. Algunas colecciones de compiladores se han creado en base a representaciones intermedias diseñadas con cuidado, las cuales permiten que el front-end para un lenguaje específico se interconecte con el back-end para cierta máquina destinto
      1. , mediante la combinación de distintos front-end con sus back-end para esa máquina de destino. De manera similar, podemos producir compiladores para distintas máquinas destino, mediante la combinación de un front-end con back-end para distintas máquinas destino.
Herramientas de construcción de compiladores
1. El desarrollador de compiladores puede utilizar para su beneficio los entornos de desarrollo de software modernos que contienen herramientas
  1. Además de estas herramientas generales para el desarrollo de software, se han creado otras herramientas más especializadas para ayudar a implementar las diversas fases de un compilador.
    1. Estas herramientas utilizan lenguajes especializados para especificar e implementar componentes específicos, y muchas utilizan algoritmos bastante sofisticados.
      1. . Las herramientas más exitosas son las que ocultan los detalles del algoritmo de generación y producen componentes que pueden integrarse con facilidad al resto del compilador. Algunas herramientas de construcción de compiladores de uso común son:
        Generadores de analizadores sintácticos (parsers), que producen de manera automática analizadores sintácticos a partir de una descripción gramatical de un lenguaje de programación
        . Generadores de escáneres, que producen analizadores de léxicos a partir de una descripción de los tokens de un lenguaje utilizando expresiones regulares.
        Motores de traducción orientados a la sintaxis, que producen colecciones de rutinas para recorrer un árbol de análisis sintáctico y generar código intermedio.
        Generadores de generadores de código, que producen un generador de código a partir de una colección de reglas para traducir cada operación del lenguaje intermedio en el lenguaje máquina para una máquina destino.
        Motores de análisis de flujos de datos, que facilitan la recopilación de información de cómo se transmiten los valores de una parte de un programa a cada una de las otras partes. El análisis de los flujos de datos es una parte clave en la optimización de código.
        Kits (conjuntos) de herramientas para la construcción de compiladores, que proporcionan un conjunto integrado de rutinas para construir varias fases de un compilador.
La evolución de los lenguajes de programación
1. Las primeras computadoras electrónicas aparecieron en la década de 1940 y se programaban en lenguaje máquina, mediante secuencias de 0’s y 1’s que indicaban de manera explícita a la computadora las operaciones que debía ejecutar, y en qué orden. Las operaciones en sí eran de muy bajo nivel
  1. Está demás decir, que este tipo de programación era lenta, tediosa y propensa a errores. Y una vez escritos, los programas eran difíciles de comprender y modificar.
El avance a los lenguajes de alto nivel
1. El primer paso hacia los lenguajes de programación más amigables para las personas fue el desarrollo de los lenguajes ensambladores a inicios de la década de 1950, los cuales usaban mnemónicos
  1. Más adelante, se agregaron macro instrucciones a los lenguajes ensambladores, para que un programador pudiera definir abreviaciones parametrizadas para las secuencias de uso frecuente de las instrucciones de máquina.
    1. En las siguientes décadas se crearon muchos lenguajes más con características innovadoras para facilitar que la programación fuera más natural y más robusta. Más adelante, en este capítulo, hablaremos sobre ciertas características clave que son comunes para muchos lenguajes de programación modernos.
      1. En la actualidad existen miles de lenguajes de programación. Pueden clasificarse en una variedad de formas
        Los lenguajes de primera generación son los lenguajes de máquina, los de segunda generación son los lenguajes ensambladores, y los de tercera generación son los lenguajes de alto nivel, como Fortran, Cobol, Lisp, C, C++, C# y Java
        El término lenguaje von Neumann se aplica a los lenguajes de programación cuyo modelo se basa en la arquitectura de computadoras descrita por von Neumann. Muchos de los lenguajes de la actualidad, como Fortran y C, son lenguajes von Neumann
        Los lenguajes de secuencias de comandos (scripting) son lenguajes interpretados con operadores de alto nivel diseñados para “unir” cálculos. Estos cálculos se conocían en un principio como “secuencias de comandos (scripts)”. Awk, JavaScript, Perl, PHP, Python, Ruby y Tcl son ejemplos populares de lenguajes de secuencias de comandos.
Impactos en el compilador
1. Desde su diseño, los lenguajes de programación y los compiladores están íntimamente relacionados
  1. Éstos tenían que idear algoritmos y representaciones para traducir y dar soporte a las nuevas características del lenguaje
    1. . Los escritores de compiladores no sólo tuvieron que rastrear las nuevas características de un lenguaje, sino que también tuvieron que idear algoritmos de traducción para aprovechar al máximo las nuevas características del hardware
      1. , el rendimiento de un sistema computacional es tan dependiente de la tecnología de compiladores, que éstos se utilizan como una herramienta para evaluar los conceptos sobre la arquitectura antes de crear una computadora.
        Escribir compiladores es un reto. Un compilador por sí solo es un programa extenso. Además, muchos sistemas modernos de procesamiento de lenguajes manejan varios lenguajes fuente y máquinas destino dentro del mismo framework; es decir, sirven como colecciones de compiladores, y es probable que consistan en millones de líneas de código.
        Un compilador debe traducir en forma correcta el conjunto potencialmente infinito de programas que podrían escribirse en el lenguaje fuente. El problema de generar el código destino óptimo a partir de un programa fuente es indecidible
        los escritores de compiladores deben evaluar las concesiones acerca de los problemas que se deben atacar y la heurística que se debe utilizar para lidiar con el problema de generar código eficiente.
La ciencia de construir un compilador
1. El diseño de compiladores está lleno de bellos ejemplos, en donde se resuelven problemas complicados del mundo real mediante la abstracción de la esencia del problema en forma matemática.
  1. Un compilador debe aceptar todos los programas fuente conforme a la especificación del lenguaje; el conjunto de programas fuente es infinito y cualquier programa puede ser muy largo, posiblemente formado por millones de líneas de código
    1. los escritores de compiladores tienen influencia no sólo sobre los compiladores que crean, sino en todos los programas que compilan sus compiladores. Esta capacidad hace que la escritura de compiladores sea en especial gratificante; no obstante, también hace que el desarrollo de los compiladores sea todo un reto.
Modelado en el diseño e implementación de compiladores
1. El estudio de los compiladores es principalmente un estudio de la forma en que diseñamos los modelos matemáticos apropiados y elegimos los algoritmos correctos, al tiempo que logramos equilibrar la necesidad de una generalidad y poder con la simpleza y la eficiencia.
  1. Estos modelos son útiles para describir las unidades de léxico de los programas (palabras clave, identificadores y demás) y para describir los algoritmos que utiliza el compilador para reconocer esas unidades.
    1. para describir la estructura sintáctica de los lenguajes de programación, como el anidamiento de los paréntesis o las instrucciones de control.
      1. De manera similar, los árboles son un modelo importante para representar la estructura de los programas y su traducción a código objeto
La ciencia de la optimización de código
1. El término “optimización” en el diseño de compiladores se refiere a los intentos que realiza un compilador por producir código que sea más eficiente que el código obvio.
  1. la optimización de código que realiza un compilador se ha vuelto tanto más importante como más compleja. Es más compleja debido a que las arquitecturas de los procesadores se han vuelto más complejas, con lo que ofrecen más oportunidades de mejorar la forma en que se ejecuta el código
    1. Con la posible prevalencia de las máquinas multinúcleo (computadoras con chips que contienen grandes números de procesadores), todos los compiladores tendrán que enfrentarse al problema de aprovechar las máquinas con múltiples procesadores.
      1. Al igual que muchos problemas del mundo real, no hay respuestas perfectas. De hecho, la mayoría de las preguntas que hacemos en la optimización de un compilador son indecidibles Una de las habilidades más importantes en el diseño de los compiladores es la de formular el problema adecuado a resolver
        Las optimizaciones de compiladores deben cumplir con los siguientes objetivos de diseño
        • La optimización debe ser correcta; es decir, debe preservar el significado del programa compilado
        • El tiempo de compilación debe mantenerse en un valor razonable
        • La optimización debe mejorar el rendimiento de muchos programas.
        • El esfuerzo de ingeniería requerido debe ser administrable

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