М. Бен-Ари - Языки программирования. Практический сравнительный анализ (2000) (1160781), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Загрузчик копирует исполняемый файл с диска в память и инициализирует компьютер перед выполнением программы.

Отладчик — это инструментальное средство, которое дает возможность программисту управлять выполнением программы на уровне отдельных операторов для диагностики ошибок.

Профилировщик измеряет, сколько времени затрачивается на каждый ком­понент программы. Программист, может затем улучшить эффективность критических компонентов, ответственных за большую часть времени вы­полнения.

Средства тестирования автоматизируют процесс тестирования программ, создавая и выполняя тесты и анализируя результаты тестирования.

Средства конфигурирования автоматизируют создание программ и просле­живают изменения до уровня исходных файлов.

Интерпретатор непосредственно выполняет исходный код программы в от­личие от компилятора, переводящего исходный файл в объектный.

Среду программирования можно составить из отдельных инструменталь­ных средств; кроме того, многие поставщики продают интегрированные среды программирования, которые представляют собой системы, содержащие боль­шую часть или все перечисленные выше инструментальные средства. Пре­имущество интегрированной среды заключается в чрезвычайной простоте интерфейса пользователя: каждый инструмент инициируется нажатием един­ственной клавиши или выбором из меню вместо набора на клавиатуре имен файлов и параметров.

3.1. Редактор

У каждого программиста есть свой любимый универсальный редактор. Но да­же в этом случае у вас может появиться желание воспользоваться специализи­рованным, предназначенным для определенного Языка редактором, который создает всю языковую конструкцию, типа условного оператора, по одному нажатию клавиши. Преимущество такого редактора в том, что он позволяет предотвратить синтаксические ошибки. Однако любая машинистка, печата­ющая вслепую, скажет, что легче набирать языковые конструкции, чем отыс­кивать нужные пункты в меню.

В руководстве по языку могут быть указаны рекомендации для формата ис­ходного кода: введение отступов, разбивка строк, использование верхне­го/нижнего регистров. Эти правила не влияют на правильность программы, но ради будущих читателей вашей программы такие соглашения следует .соблю­дать. Если вам не удалось выполнить соглашения при написании программы, то вы можете воспользоваться инструментальным средством, называемым красивая печать (pretty-printer), которое переформатирует исходный код к ре­комендуемому формату. Поскольку эта программа может непреднамеренно внести ошибки, лучше соблюдать соглашения с самого начала.

3.2. Компилятор

Язык программирования без компилятора (или интерпретатора) может пред­ставлять большой теоретический интерес, но выполнить на компьютере про­грамму, написанную на этом языке, невозможно. Связь между языками и компиляторами настолько тесная, что различие между ними расплывается, и часто можно услышать такую бессмыслицу, как:

Язык L1 эффективнее языка L2.

Правильно же то, что компилятор С1 может сгенерировать более эффек­тивный код, чем компилятор С2, или что легче эффективно откомпилировать конструкции L1, чем соответствующие конструкции L2. Одна из целей этой книги — показать соотношение между конструкциями языка и получающим­ся после компиляции машинным кодом.

Структура компилятора показана на рис. 3.1. Входная часть компилятора

«понимает» программу, анализируя синтаксис и семантику согласно прави­лам языка. Синтаксический анализатор отвечает за преобразование последова­тельности символов в абстрактные синтаксические объекты, называемые лек­семами. Например, символ «=» в языке С преобразуется в оператор присваива­ния, если за ним не следует другой «=»; в противном случае оба соседних сим­вола «=» (т.е. «==») преобразуются в операцию проверки равенства. Анализа­тор семантики отвечает за придание смысла этим абстрактным объектам. На­пример, в следующей программе семантический анализатор выделит глобаль­ный адрес для первого i и вычислит смещение параметра — для второго i:

static int i;

void proc(inti) {... }

Результат работы входной части компилятора — абстрактное представ­ление программы, которое называется промежуточным представлением. По нему можно восстановить исходный текст программы, за исключением имен идентификаторов и физического формата строк, пробелов, коммента­риев и т.д.

Исследования в области компиляторов настолько продвинуты, что вход­ная часть может быть автоматически сгенерирована по грамматике (формаль­ному описанию) языка. Читателям, интересующимся разработкой языков программирования, настоятельно рекомендуется глубоко изучить компиля­цию и разрабатывать языки так, чтобы их было легко компилировать с по­мощью автоматизированных методов.

Выходная часть компилятора берет промежуточное представление про­граммы и генерирует машинный код для конкретного компьютера. Таким об­разом, входная часть является языковозависимой, в то время как выходная — машиннозависимой. Поставщик компиляторов может получить семейство ком­пиляторов некоторого языка L для ряда самых разных компьютеров Cl, C2,..., написав несколько выходных частей, использующих промежуточное представление общей входной части. Точно так же поставщик компьютеров может создать высококачественную выходную часть для компьютера С и затем под­держивать большое число языков LI, L2,..., написав входные части, которые компилируют исходный текст каждого языка в общее промежуточное представление. В этом случае фактически не имеет смысла спрашивать, какой язык на компьютере эффективнее.

С генератором объектного кода связан оптимизатор, который пытается улучшать код, чтобы сделать его более эффективным. Возможны несколько способов оптимизации:

• Оптимизация промежуточного представления, например нахождение общего подвыражения:

a = f1 (x + y) + f2(x + y);

Вместо того чтобы вычислять выражение х + у дважды, его можно вы­числить один раз и сохранить во временной переменной или регистре. Подобная оптимизация не зависит от конкретного компьютера и может быть сделана до генерации кода. Это означает, что даже компоненты выходной части могут быть общими в компиляторах разных компьюте­ров.

• Машинно-ориентированная оптимизация. Такая оптимизация, как со­хранение промежуточных результатов в регистрах, а не в памяти, явно должна выполняться при генерации объектного кода, потому что число и тип регистров в разных компьютерах различны.

• Локальная оптимизация обычно выполняется для сгенерированных ко­манд, хотя иногда ее можно проводить для промежуточного представле­ния. В этой методике делается попытка заменять короткие последователь­ности команд одной, более эффективной командой. Например, в языке С выражение n++ может быть скомпилировано в следующую последователь­ность:

load R1,n

add R1,#1

store R1,n

но локальный оптимизатор для конкретного компьютера мог бы заме­нить эти три команды одной, которая увеличивает на единицу непосред­ственно слово в памяти:

incr n

Использование оптимизаторов требует осторожности. Поскольку оптими­затор по определению изменяет программу, ее, возможно, будет трудно отла­живать с помощью отладчика исходного кода, так как порядок выполнения команд может отличаться от их порядка в исходном коде. Обычно оптимиза­тор при отладке лучше отключать. Кроме того, из-за сложности оптимизато­ра вероятность содержания в нем ошибки больше, чем в любом другом ком­поненте компилятора. Ошибку оптимизатора трудно обнаружить, потому что отладчик создан для работы с исходным текстом, а не с оптимизированным (то есть измененным) объектным кодом. Ни в коем случае нельзя сначала тестировать программу без оптимизатора, а после оптимизации отдавать в работу без тестирования. Наконец, оптимизатор в какой-либо ситуации мо­жет сделать неправильные предположения. Например, для устройства ввода-вывода с регистрами, «отображенными» на память, значение переменной мо­жет присваиваться дважды без промежуточного чтения:

transmit_register = 0x70; /* Ждать 1 секунду */ transmit_register = 0x70;

Оптимизатор предположит, что второе присваивание лишнее и удалит его из сгенерированного объектного кода.

3.3. Библиотекарь

Можно хранить объектные модули либо в отдельных файлах, либо в одном файле, называемом библиотекой. Библиотеки могут поставляться с компи­лятором, либо приобретаться отдельно, либо составляться программис­том.

Многие конструкции языка программирования реализуются не с по­мощью откомпилированного кода, выполняемого внутри программы, а через обращения к процедурам, которые хранятся в библиотеке, предусмотренной поставщиком компилятора. Из-за увеличения объема языков программиро­вания наблюдается тенденция к размещению большего числа функциональ­ных возможностей в «стандартных» библиотеках, которые являются неотъем­лемой частью языка. Так как библиотека — это всего лишь структурированная совокупность типов и подпрограмм, не содержащая новых языковых конст­рукций, то она упрощает задачи как для студента, который должен изучить язык, так и для разработчика компилятора.

Основной набор процедур, необходимых для инициализации, управления памятью, вычисления выражений и т.п., называется системой времени исполнения (run-time system) или исполняющей системой. Важно, чтобы програм­мист был знаком с исполняющей системой используемого компилятора: не­винные на первый взгляд конструкции языка могут фактически приводить к вызовам времяемких процедур в исполняющей системе. Например, если высокоточная арифметика реализована библиотечными процедурами, то замена всех целых чисел на длинные (двойные) целые значительно увеличит время выполнения.

3.4. Компоновщик

Вполне возможно написать программу длиной в несколько тысяч строк в виде отдельного файла или модуля. Однако для больших программных сис­тем, особенно разрабатываемых группами программистов, требуется, чтобы программное обеспечение было разложено на модули (гл. 13). Если обраще­ние делается к процедуре, находящейся вне текущего модуля, компилятор никак не может узнать адрес этой процедуры. Вместо этого адреса в объек­тном модуле записывается внешняя ссылка. Если язык разрешает разным модулям обращаться к глобальным переменным, то внешние ссылки долж­ны быть созданы для каждого такого обращения. Когда все модули отком­пилированы, компоновщик разрешает эти ссылки, разыскивая описания процедур и переменных, которые экспортированы из модуля для нелокаль­ного использования.

В современной практике программирования модули активно используют­ся для декомпозиции программы. Дополнительный эффект такой практики — то, что компиляции бывают обычно короткими и быстрыми, зато компонов­щик должен связать сотни модулей с тысячами внешних ссылок. Эффектив­ность компоновщика может оказаться критичной для производительности группы разработчиков программного обеспечения на заключительных стади­ях разработки: даже незначительное изменение одного исходного модуля по­требует продолжительной компоновки.

Одно из решений этой проблемы состоит в том, чтобы компоновать из модулей подсистемы и только затем разрешать связи между подсистемами. Другое решение состоит в использовании динамической компоновки, если она поддерживается системой. При динамической компоновке внешние ссылки не разрешаются; вместо этого операционной системой улавливается и разре­шается первое обращение к процедуре. Динамическая компоновка может комбинироваться с динамической загрузкой, при этом не только ссылки не раз­решаются, но даже модуль не загружается, пока не понадобится одна из экс­портируемых им процедур. Конечно, динамическая компоновка или загрузка приводит к дополнительным издержкам во время выполнения, но это мощ­ный метод адаптации систем к изменяющимся требованиям без перекомпо­новки.

3.5. Загрузчик

Как подразумевает название, загрузчик загружает программу в память и инициализирует ее выполнение. На старых компьютерах загрузчик был не-тривиален, так как должен был решать проблему перемещаемости программ. Такая команда, как load 140, содержала абсолютный адрес памяти, и его приходилось настраивать в зависимости от конкретных адресов, в которые загружалась программа. В современных компьютерах адреса команд и данных задаются относительно значений в регистрах. Для каждой области памяти с программой или данными выделяется регистр, указывающий на начало этой области, поэтому все, что должен сделать загрузчик теперь, — это скопировать программу в память и инициализировать несколько регистров. Команда load 140 теперь означает «загрузить значение, находя­щееся по адресу, полученному прибавлением 140 к содержимому регистра, который указывает на область данных».

3.6. Отладчик

Характеристики

Список файлов книги