Компилятор который полностью переводит программы на каком либо языке программирования

Обновлено: 06.07.2024

Компьютеры сами по себе способны выполнять только очень ограниченный набор операций, называемых машинными кодами. В старые времена, когда появились первые компьютеры, программы писались в машинных кодах, представляющих собой последовательности двоичных чисел, однозначно воспринимаемых компьютером. В конце 50-х кодов прошлого века появились первые языки программирования, такие как язык ассемблера и Фортран. Для того, чтобы компьютер мог понять программу, написанную на каком-то языке программирования, необходим переводчик ( транслятор ) такой программы в машинные коды. Отметим, что, если оператор языка ассемблера отображается при трансляции чаще всего 1 Некоторые операторы языка ассемблера, например, такие, как операторы ввода/вывода, отображаются в несколько машинных команд. в одну машинную инструкцию, предложения языков более высокого уровня отображаются, вообще говоря, в несколько машинных инструкций.

Трансляторы бывают двух типов: компиляторы ( compiler ) и интерпретаторы ( interpreter ). Процесс компиляции состоит из двух частей: анализа ( analysis ) и синтеза ( synthesis ). Анализирующая часть компилятора разбивает исходную программу на составляющие ее элементы (конструкции языка) и создает промежуточное представление исходной программы. Синтезирующая часть из промежуточного представления создает новую программу, которую компьютер в состоянии понять. Такая программа называется объектной программой. Объектная программа может в дальнейшем выполняться без перетрансляции. В качестве промежуточного представления обычно используются деревья, в частности, так называемые деревья разбора. Под деревом разбора понимается дерево , каждый узел которого соответствует некоторой операции , а сыновья этого узла - операндам.

Интерпретатор

В отличие от компилятора, интерпретатор не создает никакой новой программы, а просто выполняет каждое предложение языка программирования. Можно сказать, что результатом работы интерпретатора является "число".

Вообще говоря, интерпретатор , так же, как и компилятор , анализирует программу на входном языке, создает промежуточное представление , а затем выполняет операции , содержащиеся в тексте этой программы. Например, интерпретатор может построить дерево разбора, а затем выполнить операции , которыми помечены узлы этого дерева.

В том случае, если исходный язык достаточно прост (например, если это язык ассемблера или Basic ), то никакое промежуточное представление не нужно, и тогда интерпретатор - это простой цикл . Он выбирает очередную инструкцию языка из входного потока, анализирует и выполняет ее. Затем выбирается следующая инструкция . Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут выполнены все инструкции, либо пока не встретится инструкция , означающая окончание процесса интерпретации.

Компилятор

Отметим, что далеко не всегда исходные программы корректны с точки зрения исходного языка. Более того, некорректные программы подаются на вход компилятору значительно чаще, чем корректные - таков уж современный процесс разработки программ. Поэтому крайне важной частью процесса трансляции является точная диагностика ошибок, допущенных во входной программе.

В этом гайде вы узнаете о том, что такое компилятор и как он работает. Мы разберем этапы компиляции и от чего зависит выбор подходящего компилятора. Этот материал поможет лучше понять, как компьютер выполняет программный код и почему иногда код не компилируется.

Зачем нужен компилятор?

Процессор — самая важная часть компьютера. Он обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и следит за работой всех подключенных устройств. Но процессор может разобрать только машинный код — набор 0 и 1, которые записаны в определённом порядке.

Почему именно 0 и 1? В процессор поступают электрические сигналы. Сильный сигнал обозначается цифрой 1, а слабый — 0. Набор таких цифр обозначает какую-то команду. Процессор ее распознает и выполняет.

Программы для первых компьютеров выглядели как огромные наборы 0 и 1. Чтобы записать такую программу, инженеры пользовались гибкими картонными карточками — перфокартами. Цифры на перфокарте записывались поочередно, в несколько строк. Чтобы записать 1, программист делал отверстие в карте. Места без отверстия обозначали 0.

Компьютер считывал перфокарту специальным устройством и выполнял записанную команду. Для одной программы составляли сотни перфокарт.

Писать их было долго и сложно, поэтому инженеры стали создавать языки программирования, обозначая команды словами и знаками. Для того, чтобы процессор понимал, какие команды записаны в программе, программисты создали компилятор — программу, которая преобразует программный код в машинный.

Как работает компилятор?

Преобразование программного кода в машинный называется компиляцией. Компиляция только преобразует код. Она не запускает его на исполнение. В этот момент он “статически” (то есть без запуска) транслируется в машинный код. Это сложный процесс, в котором сначала текст программы разбирается на части и анализируется, а затем генерируется код, понятный процессору.

Разберём этапы компиляции на примере вычисления периметра прямоугольника:

После запуска программы компилятору нужно определить, какие команды в ней записаны. Сначала компилятор разделяет программу на слова и знаки — токены, и записывает их в список. Такой процесс называется лексическим анализом. Его главная задача — получить токены.

Затем компилятор читает список и ищет токен-операторы. Это могут быть оператор присваивания( = ), арифметические операторы( + , - , * , / ), оператор вывода( printf() ) и другие операторы языка программирования. Такие операторы работают с числами, текстом и переменными.

Компилятор должен понять, какие токены в списке связаны с токен-оператором. Чтобы сделать это правильно, для каждого оператора строится специальная структура — логическое дерево или дерево разбора.

Так операция P = 2*(a + b) будет преобразована в логическое дерево:

Теперь каждое дерево нужно разобрать на команды, и каждую команду преобразовать в машинный код. Компилятор начинает читать дерево снизу вверх и составляет список команд:

Взять переменную a , взять переменную b , сложить их
Взять результат сложения, взять число 2 и найти их произведение
Результат произведения присвоить (записать) в переменную P

Компилятор еще раз проверяет команды, находит ошибки и старается улучшить код. При успешном завершении этого этапа, компилятор переводит каждую команду в набор 0 и 1. Наборы записываются в файл, который сможет прочитать и выполнить процессор.

На чем написан компилятор?

В 1950-е годы группа разработчиков IBM под руководством Джона Бэкуса разработала первый высокоуровневый язык программирования Fortran, который позволил писать программы на понятном человеку языке. Помимо языка, инженеры работали и над компилятором. Он представлял собой программу с набором исполняемых команд, которая могла компилировать другие программы на Fortran, в том числе и улучшенную версию себя.

В дальнейшем язык Fortran и его компилятор использовали, чтобы написать компиляторы для новых языков программирования. Такой подход используют программисты и в настоящее время. Писать машинный код долго и неудобно. К тому же, для современных процессоров он может отличаться. Придется писать несколько версий одного и того же компилятора для разных компьютеров. Быстрее и проще написать компилятор на существующем языке программирования. Для этого разработчики выбирают удобный язык и пишут на нем первую версию своего компилятора. Он будет более универсальным для компьютеров и легко скомпилирует улучшенную версию себя.

Какие бывают компиляторы?

Ни один компилируемый язык программирования не обходится без компилятора. Некоторые компиляторы работают с несколькими языками программирования. Но программист должен учитывать еще и параметры компьютера, на котором программа будет запускаться.

Дело в том, что современные процессоры отличаются друг от друга устройством, поэтому машинный код для одного процессора будет понятен, а для другого нет. Это касается и операционных систем: одна и та же программа будет работать на Windows, но не запустится на Linux или MacOS. Поэтому нужно пользоваться тем компилятором, который работает с нужным процессором и операционной системой.

Если программа будет работать на нескольких операционных системах, то нужен кросс-компилятор — компилятор, который преобразует универсальный машинный код. Например, GNU Compiler Collection(сокращенно GCC) поддерживает C++, Objective-C, Java, Фортран, Ada, Go и поддерживает разную архитектуру процессоров.

Начинающие программисты даже не знают о наличии компилятора на компьютере. Они пишут программы в интегрированной среде разработки, в которую встроен компилятор, а иногда и не один. В этом случае, выбор компилятора делает среда, а не программист. Например, MS Visual Studio поддерживает компиляторы для операционных систем Windows, Linux, Android. Выбирая тип проекта, Visual Studio определяет процессор и операционную систему компьютера, и после этого выбирает подходящий компилятор.

Какие ошибки может определить компилятор?

ошибки объявления переменных или отсутствие их начальных значений
ошибки несоответствия типов
ошибки неправильной записи операторов и функций

Иногда компилятор определяет код, который при выполнении дает неправильный результат. Но преобразовать такую программу в машинный код все-таки можно. В этом случае компилятор показывает пользователю предупреждение. Такая реакция компилятора больше похожа на рекомендации, но на них стоит обратить внимание. Программист сам решает оставить код с предупреждением или изменить программу. Анализируя текст программы, компилятор не только ищет ошибки, но еще и упрощает ее код. Такой процесс называется оптимизацией. Во время оптимизации компилятор изменяет программный код, но функции, которые выполняла программа, остаются прежними.

Выводы и рекомендации

Компилятор — переводчик между программистом и процессором. Он преобразует текст программы в машинный код, определяет ряд ошибок в программе и оптимизирует ее работу. Выбирая, где компилировать программу, важно помнить о том, что машинный код для процессоров и операционных систем будет разным, и подобрать правильный компилятор. Чем точнее компилятор определит команды, тем корректнее и быстрее будет работать программа. Для этого следуйте простым рекомендациям:

использовать простые, понятные команды;
помнить о соответствии типов данных;
внимательно набирать код, избегая синтаксических ошибок;
избегать повторяющихся действий и бесполезных переменных.

Частые вопросы

Чем компилятор отличается от интерпретатора?

Компилятор это программа, которая выполняет преобразование текста программы в другое представление, обычно машинный код, без его запуска, статически. Затем эта программа уже может быть запущена на выполнение. Интерпретатор сразу запускает код и выполняет его в процессе чтения. Промежуточного этапа как в компиляции нет.

Компиля́тор — программа или техническое средство, выполняющее компиляцию [1] [2] [3] .

Компили́ровать — проводить трансляцию машинной программы с предметно-ориентированного языка на машинно-ориентированный язык [3] .

Содержание

Виды компиляторов

Векторизующий. Транслирует исходный код в машинный код компьютеров, оснащённых векторным процессором.
Гибкий. Сконструирован по модульному принципу, управляется таблицами и запрограммирован на языке высокого уровня или реализован с помощью компилятора компиляторов.
Диалоговый. См.: диалоговый транслятор.
Инкрементальный. Повторно транслирует фрагменты программы и дополнения к ней без перекомпиляции всей программы.
Интерпретирующий (пошаговый). Последовательно выполняет независимую компиляцию каждого отдельного оператор оператора (команды) исходной программы.
Компилятор компиляторов. Транслятор, воспринимающий формальное описание языка программирования и генерирующий компилятор для этого языка.
Отладочный. Устраняет отдельные виды синтаксических ошибок.
Резидентный. Постоянно находится в оперативной памяти и доступен для повторного использования многими задачами.
Самокомпилируемый. Написан на том же языке, с которого осуществляется трансляция.
Универсальный. Основан на формальном описании синтаксиса и семантики входного языка. Составными частями такого компилятора являются: ядро, синтаксический и семантический загрузчики.

Виды компиляции

Пакетная. Компиляция нескольких исходных модулей в одном пункте задания.
Построчная. Машинный код порождается и затем исполняется для каждой завершённой грамматической конструкции языка. Внешне воспринимается как интерпретация, но устройство иное.
Условная. Компиляция, при которой транслируемый текст зависит от условий, заданных в исходной программе директивами компилятора. Так, в зависимости от значения некоторой константы, можно включать или выключать трансляцию части текста программы.

Структура компилятора

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.
Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) — например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.
Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах — например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.
Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке.

В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.

Генерация кода

Генерация машинного кода

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором. Как правило, этот код также ориентирован на исполнение в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ею возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой производится компиляция, называется целевой машиной.

Результат компиляции — исполнимый модуль — обладает максимальной возможной производительностью, однако привязан к определённой операционной системе и процессору (и не будет работать на других).

Для каждой целевой машины (IBM, Apple, Sun и т. д.) и каждой операционной системы или семейства операционных систем, работающих на целевой машине, требуется написание своего компилятора. Существуют также так называемые кросс-компиляторы, позволяющие на одной машине и в среде одной ОС генерировать код, предназначенный для выполнения на другой целевой машине и/или в среде другой ОС. Кроме того, компиляторы могут оптимизировать код под разные модели из одного семейства процессоров (путём поддержки специфичных для этих моделей особенностей или расширений наборов инструкций). Например, код, скомпилированный под процессоры семейства Pentium, может учитывать особенности распараллеливания инструкций и использовать их специфичные расширения — MMX, SSE и т. п.

Некоторые компиляторы переводят программу с языка высокого уровня не прямо в машинный код, а на язык ассемблера (примером может служить PureBasic, транслирующий бейсик-код в ассемблер FASM). Это делается для упрощения части компилятора, отвечающей за кодогенерацию, и повышения его переносимости (задача окончательной генерации кода и привязки его к требуемой целевой платформе перекладывается на ассемблер), либо для возможности контроля и исправления результата компиляции программистом.

Генерация байт-кода

Некоторые реализации интерпретируемых языков высокого уровня (например, Perl) используют байт-код для оптимизации исполнения: затратные этапы синтаксического анализа и преобразование текста программы в байт-код выполняются один раз при загрузке, затем соответствующий код может многократно использоваться без промежуточных этапов.

Динамическая компиляция

Из-за необходимости интерпретации байт-код выполняется значительно медленнее машинного кода сравнимой функциональности, однако он более переносим (не зависит от операционной системы и модели процессора). Чтобы ускорить выполнение байт-кода, используется динамическая компиляция, когда виртуальная машина транслирует псевдокод в машинный код непосредственно перед его первым исполнением (и при повторных обращениях к коду исполняется уже скомпилированный вариант).

Декомпиляция

Существуют программы, которые решают обратную задачу — перевод программы с низкоуровневого языка на высокоуровневый. Этот процесс называют декомпиляцией, а такие программы — декомпиляторами. Но поскольку компиляция — это процесс с потерями, точно восстановить исходный код, скажем, на C++, в общем случае невозможно. Более эффективно декомпилируются программы в байт-кодах — например, существует довольно надёжный декомпилятор для Adobe Flash. Разновидностью декомпилирования является дизассемблирование машинного кода в код на языке ассемблера, который почти всегда выполняется успешно (при этом сложность может представлять самомодифицирующийся код или код, в котором собственно код и данные не разделены). Связано это с тем, что между кодами машинных команд и командами ассемблера имеется практически взаимно-однозначное соответствие.

Раздельная компиляция

Появление раздельной компиляции и выделение компоновки как отдельной стадии произошло значительно позже создания компиляторов. В связи с этим вместо термина «компилятор» иногда используют термин «транслятор» как его синоним: либо в старой литературе, либо когда хотят подчеркнуть его способность переводить программу в машинный код (и наоборот, используют термин «компилятор» для подчёркивания способности собирать из многих файлов один).

Интересные факты

На заре развития компьютеров первые компиляторы (трансляторы) называли «программирующими программами» [6] (так как в тот момент программой считался только машинный код, а «программирующая программа» была способна из человеческого текста сделать машинный код, то есть запрограммировать ЭВМ).

Статьи

Введение

Хотя компилятор CPython является де-факто компилятором для Python, поскольку он относится к эталонной реализации Python, т.е. CPython, существует несколько других компиляторов Python, которые разработчики любят использовать.

Давайте рассмотрим 7 лучших компиляторов для Python.

Brython, отмеченный как «реализация Python 3 для веб-программирования на стороне клиента», является популярным компилятором, который преобразует код Python в код JavaScript.

Nuitka берет код Python и компилирует его в исходный код C / C++ или исполняемые файлы. Его можно использовать для разработки автономных программ, даже если на вашем компьютере не запущен Python.

Написанная полностью на Python, Nuitka позволяет использовать различные библиотеки Python и модули расширения.

Компилятор доступен для платформ FreeBSD, Linux, macOS X, NetBSD и Windows и находится под лицензией Apache License версии 2.0. Nuitka также доступна с Anaconda для тех, кто предпочитает ее для разработки проектов, связанных с наукой о данных и машинным обучением.

Платформа для разработки PyJS

Компилятор PyJS переводит код Python в эквивалентный код JavaScript, чтобы он мог выполняться внутри веб-браузера. Важным аспектом PyJS является то, что он поставляется с фреймворком AJAX, который заполняет пробелы, оставшиеся между поддержкой JS и DOM, доступной для различных веб-браузеров. Чтобы сгенерировать эквивалентный код JS, PyJS использует абстрактное синтаксическое дерево Python.

Исходный код веб-приложения Python можно запустить как автономное настольное приложение (которое работает под Python) с помощью модуля PyJS Desktop. Интересно, что в некоторых системах Unix предустановлены версии PyJS и PyJS Desktop. Несмотря на различия между Python и JavaScript, большинство типов данных в двух популярных языках программирования идентичны.

Поскольку код Python можно встраивать в код JS, разработчики JS могут проектировать и разрабатывать приложения в чисто объектно-ориентированной парадигме с использованием PyJS.

Он преобразует статически типизированную программу Python в эквивалентную программу на чистом C++. Статически типизированный означает, что используемые переменные должны относиться только к одному типу данных. Shed Skin не поддерживает некоторые общие функции, такие как использование вложенных функций и определение функций, которые принимают различное количество аргументов. Только некоторые стандартные функции библиотеки Python доступны для использования с Shed Skin. В качестве экспериментальной программы компилятора Shed Skin предлагает перевести статически типизированные программы Python в оптимизированный код C++ с несколькими ограничениями. Кроме того, Shed Skin не может масштабироваться более, чем на несколько тысяч строк кода. Если в вашем коде есть неподдерживаемый модуль Shed Skin, вы должны удалить его и добавить простой код для воспроизведения желаемой функциональности.

Несмотря на свой экспериментальный статус, Shed Skin может создавать автономные программы или модули расширения, которые можно импортировать и использовать в больших программах Python. Самым большим преимуществом использования Shed Skin является то, что он позволяет значительно повысить производительность. Это главным образом связано с тем, что компилятор Python переопределил встроенные типы данных Python в свой собственный набор классов, реализованный в эффективном коде C++.

Написанный на JavaScript и доступный по лицензии MIT, Skulpt предлагает настоящую среду, в которой скомпилированный код выполняется в форме JS.

Компилятор Python следует упрощенному и мощному синтаксису, не требуя дополнительных расширений. Transcrypt прекомпилирует в быстрый, читаемый JS-код, который можно отлаживать из исходного кода Python с помощью исходных карт. Облегченный компилятор обеспечивает поддержку нарезки с помощью матрицы [i: j: k] и векторных операций с операторами +, -, * и /. Линтер, минификатор и валидатор статического типа встроены в Transcrypt. Таким образом, компилятор Python улучшает взаимодействие команды, работающей над полномасштабными проектами. Помимо беспрепятственного доступа к любой JS-библиотеке, Transcrypt также может работать поверх Node.js.

Благодаря поддержке иерархических модулей, локальных классов и множественного наследования Transcrypt может похвастаться гибкой и стабильной общей структурой.

Более ранние версии CPython не были оптимизированы под Windows и, как таковые, содержали много ошибок. WinPython был инкубирован как решение проблемы. Хотя нынешние версии CPython очень стабильны в операционной системе Windows, WinPython имеет несколько эксклюзивных функций. Поскольку WinPython является автономным дистрибутивом для Python, вам нужно только загрузить и распаковать его, чтобы начать работу. WinPython также поставляется с некоторыми из самых популярных библиотек Python для науки о данных и машинного обучения, таких как NumPy, Pandas и SciPy. Следовательно, вы можете сразу же работать с этими библиотеками Python.

WinPython поставляется с множеством встроенных функций, которые в большинстве случаев не требуются, например, компилятор C и C ++. Это может быть серьезным ограничением, поскольку нет возможности выбрать и загрузить только те функции, которые необходимы. Тем не менее, WinPython доступен в варианте нулевого пакета, который поставляется только с компилятором Python и не более того.

Заключение

На этом завершается данный список из семи лучших компиляторов Python. Поскольку каждый из них разработан с учетом конкретных требований, вы можете использовать их для удовлетворения различных потребностей. В программировании, чем больше программист знает, тем лучше.

Читайте также: