Джек Креншоу - Давайте создадим компилятор!

• Название: Давайте создадим компилятор!
• Автор: Джек Креншоу
• Жанр: Программирование

Эта серия, написанная в период с 1988 по 1995 года и состоящая из шестнадцати частей, является нетехническим введением в конструирование компиляторов. Серия является руководством по теории и практике разработки синтаксических анализаторов и компиляторов языков программирования. До того как вы закончите чтение этой книги, вы раскроете каждый аспект конструирования компиляторов, разработаете новый язык программирования и создадите работающий компилятор.

---

begin

if IsAddop(Look) then

EmitLn('CLR D0')

else

Term;

while IsAddop(Look) do begin

EmitLn('MOVE D0,-(SP)');

case Look of

'+': Add;

'-': Subtract;

else Expected('Addop');

end;

end;

end;

{–}

Я говорил вам, насколько легко мы сможем вносить изменения! На этот раз они стоили нам всего трех новых строчек Паскаля. Обратите внимание на появление ссылки на новую функцию IsAddop. Как только проверка на addop появилась дважды, я решил выделить ее в отдельную функцию. Форма функции IsAddop должна быть аналогична форме функции IsAlpha. Вот она:

{–}

{ Recognize an Addop }

function IsAddop(c: char): boolean;

begin

IsAddop := c in ['+', '-'];

end;

{–}

ОК, внесите эти изменения в программу и повторно откомпилируйте. Вы должны также включить IsAddop в базовую копию программы Cradle. Она потребуется нам позже. Сейчас попробуйте снова ввести -1. Вау! Эффективность полученного кода довольно плохая… шесть строк кода только для того, чтобы загрузить простую константу… но, по крайней мере, правильно работает. Запомните, мы не пытаемся сделать замену Turbo Pascal.

На данном этапе мы почти завершили создание структуры нашего синтаксического анализатора выражений. Эта версия программы должна правильно распознавать и компилировать почти любое выражение, которое вы ей подсунете. Она все еще ограничена тем, что поддерживает показатели состоящие только из одной цифры. Но я надеюсь что теперь вы начинаете понимать, что мы можем расширять возможности синтаксического анализатора делая незначительные изменения. Вы возможно даже не будете удивлены, когда услышите, что переменная или даже вызов функции это просто один из видов показателя.

В следующей главе я покажу, как можно легко расширить наш синтаксический анализатор для поддержки всех этих возможностей, и я также покажу как легко мы можем добавить многосимвольные числа и имена переменных. Итак, вы видите, что мы совсем недалеко от действительно полезного синтаксического анализатора.

Слово об оптимизации

Раннее в этой главе я обещал дать несколько подсказок как мы можем повысить качество генерируемого кода. Как я сказал, получение компактного кода не является главной целью этой книги. Но вам нужно по крайней мере знать, что мы не зря проводим свое время… что мы действительно можем модифицировать анализатор для получения лучшего кода не выбрасывая то, что мы уже сделали к настоящему времени. Обычно небольшая оптимизация не слишком трудна… просто в синтаксический анализатор вставляется дополнительный код.

Существуют два основных метода, которые мы можем использовать:

Попытаться исправить код после того, как он сгенерирован.

Это понятие «щелевой» оптимизации. Основная идея в том, что известно какие комбинации инструкций компилятор собирается произвести и также известно которые из них «плохие» (такие как код для числа -1). Итак, все что нужно сделать – просканировать полученный код, найти такие комбинации инструкций и заменить их на более «хорошие». Это вид макрорасширений наоборот и прямой пример метода сопоставления с образцом. Единственная сложность в том, что может существовать множество таких комбинаций. Этот метод называется «щелевой» оптимизацией просто потому, что оптимизатор работает с маленькой группой инструкций. «Щелевая» оптимизация может драматически влиять на качество кода и не требует при этом больших изменений в структуре компилятора. Но все же за это приходится платить скоростью, размером и сложностью компилятора. Поиск всех комбинаций требует проверки множества условий, каждая из которых является источником ошибки. И, естественно, это требует много времени.

В классической реализации «щелевого» оптимизатора, оптимизация выполняется как второй проход компилятора. Выходной код записывается на диск и затем оптимизатор считывает и обрабатывает этот файл снова. Фактически, оптимизатор может быть даже отдельной от компилятора программой. Так как оптимизатор только обрабатывает код в маленьком «окне» инструкций (отсюда и название), лучшей реализацией было бы буферизировать несколько срок выходного кода и сканировать буфер каждый раз после EmitLn.

Попытаться сразу генерировать лучший код.

В этом методе выполняется проверка дополнительных условий перед выводом кода. Как тривиальный пример, мы должны были бы идентифицировать нуль и выдать CLR вместо загрузки, или даже совсем ничего не делать, как в случае с прибавлением нуля, например. Конкретней, если мы решили распознавать унарный минус в процедуре Factor вместо Expression, то мы должны обрабатывать –1 как обычную константу, а не генерировать ее из положительных. Ни одна из этих вещей не является слишком сложной для реализации… просто они требуют включения дополнительных проверок в код, поэтому я не включил их в программу. Как только мы дойдем до получения работающего компилятора, генерирующего полезный выполнимый код, мы всегда сможем вернуться и доработать программу для получения более компактного кода. Именно поэтому в мире существует «Версия 2.0».

Существует еще один, достойный упоминания, способ оптимизации, обещающий достаточно компактный код без излишних хлопот. Это мое «изобретение», в том смысле, что я нигде не видел публикаций по этому методу, хотя я и не питаю иллюзий что это придумано мной.

Способ заключается в том, чтобы избежать частого использования стека, лучше используя регистры центрального процессора. Вспомните, когда мы выполняли только сложение и вычитание, то мы использовали регистры D0 и D1 а не стек? Это работало, потому для этих двух операций стек никогда не использовал более чем две ячейки.

Хорошо, процессор 68000 имеет восемь регистров данных. Почему бы не использовать их как стек? В любой момент своей работы синтаксический анализатор «знает» как много элементов в стеке, поэтому он может правильно ими манипулировать. Мы можем определить частный указатель стека, который следит, на каком уровне мы находимся и адресует соответствующий регистр. Процедура Factor, например, должна загружать данные не в регистр D0, а в тот, который является текущей вершиной стека.

Что мы получаем заменяя стек в RAM на локальный стек созданный из регистров. Для большинства выражений уровень стека никогда не превысит восьми, поэтому мы получаем достаточно хороший код. Конечно, мы должны предусмотреть те случаи, когда уровень стека превысит восемь, но это также не проблема. Мы просто позволим стеку перетекать в стек ЦПУ. Для уровней выше восьми код не хуже, чем тот, который мы генерируем сейчас, а для уровней ниже восьми он значительно лучше.

Я реализовал этот метод, просто для того, чтобы удостовериться в том, что он работает перед тем, как представить его вам. Он работает. На практике вы не можете в действительности использовать все восемь уровней... вам, как минимум, нужен один свободный регистр для изменения порядка операндов при делении. Для выражений, включающих вызовы функций, также необходимо зарезервировать регистр. Но все равно, существует возможность улучшения размера кода для большинства выражений.

Итак, вы видите, что получение лучшего кода не настолько трудно, но это усложняет наш транслятор... это сложность, без которой мы можем сейчас обойтись. По этой причине, я очень советую продолжать игнорировать вопросы эффективности в этой книге, усвоив, что мы действительно можем повысить качество кода не выбрасывая того, что уже сделано.

В следующей главе я покажу вам как работать с переменными и вызовами функций. Я также покажу вам как легко добавить поддержку многосимвольных токенов и пробелов.

Снова выражения

Введение

В последней главе мы изучили методы, используемые для синтаксического анализа и трансляции математических выражений в общей форме. Мы закончили созданием простого синтаксического анализатора, поддерживающего выражения произвольной сложности с двумя ограничениями:

Разрешены только числовые показатели

Числовые показатели ограничены одиночной цифрой.

В этой главе мы избавимся от этих ограничений. Мы также расширим то что сделали, добавив операции присваивания и вызовы функций. Запомните, однако, что второе ограничение было главным образом наложено нами самими... выбрано для удобства, чтобы облегчить себе жизнь и сконцентрироваться на фундаментальных принципах. Как вы увидите, от этого ограничения легко освободиться, так что не слишком задерживайтесь на этом. Мы будем использовать это прием пока он служит нам, уверенные в том, что сможем избавиться от него, когда будем готовы.

Переменные

Большинство выражений, который мы встречаем на практике, включают переменные, например:

b * b + 4 * a * c

Ни один компилятор нельзя считать достаточно хорошим, если он не работает с ними. К счастью, это тоже очень просто сделать.

Не забудьте, что в нашем синтаксическом анализаторе в настоящее время существуют два вида показателей: целочисленные константы и выражения в скобках. В нотации БНФ: