Compiler

Compile-Prozess

Compiler-Prozess: Quelltext

Definition: Der Quelltext ist der vom Programmierer geschriebene Code, in einer höheren Programmiersprache.
Bedeutung: Er ist der Ausgangspunkt des Compilationsprozesses.
Beispiel: Ein .c File für ein C-Programm oder ein .java File für ein Java-Programm.

Compiler-Prozess: Lexikalische Analyse

Definition: Die lexikalische Analyse zerlegt den Quelltext in Tokens.
Bedeutung: Tokens sind die Grundbausteine des Quellcodes, wie Schlüsselwörter, Identifikatoren, Literale und Operatoren.
Werkzeuge: Scanner oder Lexer.

Lexikalische Analyse

Die erste Phase des Compiler-Designs, bei der der Quelltext in Tokens zerlegt wird.

Beispiel für Lexikalische Analyse

Gegeben sei der Pseudocode:

function add(x, y) {
  return x + y;
}

1. `function` - Schlüsselwort
2. `add` - Identifikator
3. `(` - Symbol
4. `x` - Identifikator
5. `,` - Symbol
6. `y` - Identifikator
7. `)` - Symbol
8. `{` - Symbol
9. `return` - Schlüsselwort
10. `x` - Identifikator
11. `+` - Operator
12. `y` - Identifikator
13. `;` - Symbol
14. `}` - Symbol

function add(x, y) {
  return x + y;
}

Der obige Code wird in folgende Tokens aufgeteilt:

Beispiel für Lexikalische Analyse

Compiler-Prozess: Syntaktische Analyse

Definition: Die syntaktische Analyse prüft, ob die Tokens den syntaktischen Regeln der Programmiersprache entsprechen.
Ergebnis: Erstellung eines Syntaxbaums, der die Struktur des Codes repräsentiert.
Werkzeuge: Parser.

Syntaxanalyse (Parsing)

Die zweite Phase des Compiler-Designs, bei der die Tokens auf ihre syntaktische Struktur geprüft werden.

Syntaxbaum für das Beispiel

Für den Pseudocode:

function add(x, y) {
  return x + y;
}

ergibt sich folgender Syntaxbaum:

                 function
                    |
                   add
                    |
       ------------------------------
      |                             |
    params                        body
      |                             |
   -------                     ---------
  |       |                   |         |
  x       y                return    expression
                                       |
                                    ---------
                                   |         |
                                   x         y

Compiler-Prozess: Semantische Analyse

Definition: Überprüfung der semantischen Korrektheit des Quelltextes.
Bedeutung: Sicherstellung, dass der Code Sinn ergibt und ausführbar ist.
Ergebnis: Anreicherung des Syntaxbaums mit semantischen Informationen.

Semantische Analyse für das Beispiel

Für den Pseudocode:

function add(x, y) {
  return x + y;
}

führt die semantische Analyse folgende Prüfungen durch:

Variablendeklaration: Sind x und y deklariert?
Typüberprüfung: Können x und y addiert werden?
Rückgabetyp: Entspricht der Typ des Ausdrucks
x + y
dem erwarteten Rückgabetyp?

Semantische Analyse

Die semantische Analyse stellt sicher, dass der Quellcode nicht nur syntaktisch korrekt, sondern auch logisch sinnvoll ist. Es wird überprüft, ob Operationen, Datentypen, Variablen und andere Programmstrukturen in einem sinnvollen und zulässigen Zusammenhang stehen.

Überprüfung der Variablen- und Funktionsdeklarationen

Ziel: Sicherstellen, dass alle Variablen und Funktionen vor ihrer Verwendung deklariert wurden.
Beispiel: Wenn eine Variable x in einem Ausdruck verwendet wird, überprüft der Compiler, ob x zuvor deklariert wurde.

Typüberprüfung (Type Checking)

Ziel: Sicherstellen, dass die Datentypen in Ausdrücken und Anweisungen kompatibel sind.
Beispiel: Überprüfen, ob ein arithmetischer Operator wie + nur auf numerische Typen angewendet wird. Wenn x eine Ganzzahl (int) und y ein String (string) ist, würde der Ausdruck x + y einen Fehler verursachen.

Überprüfung der Typkompatibilität bei Zuweisungen

Ziel: Sicherstellen, dass der Wert, der einer Variable zugewiesen wird, mit dem Typ der Variable kompatibel ist.
Beispiel: Einem int-Typ kann kein float-Wert ohne Konvertierung zugewiesen werden.

Überprüfung der Funktionsaufrufe

Ziel: Sicherstellen, dass Funktionsaufrufe mit der korrekten Anzahl und Art von Argumenten erfolgen.
Beispiel: Eine Funktion, die zwei Parameter erwartet, sollte nicht mit drei Argumenten aufgerufen werden.

Überprüfung der Rückgabewerte

Ziel: Sicherstellen, dass die Rückgabewerte von Funktionen mit dem deklarierten Rückgabetyp der Funktion übereinstimmen.
Beispiel: Eine Funktion, die als Rückgabewert int deklariert ist, sollte keinen string-Wert zurückgeben.

Namensauflösung (Name Resolution)

Ziel: Überprüfen, ob alle Variablen, Funktionen und Methoden korrekt benannt und aufgelöst sind, d.h., dass sie im richtigen Gültigkeitsbereich deklariert sind.
Beispiel: Wenn eine Variable x innerhalb einer Funktion verwendet wird, muss sichergestellt werden, dass sie in einem sichtbaren Gültigkeitsbereich deklariert wurde.

Kontextabhängige Überprüfungen

Ziel: Überprüfen von Regeln, die vom Kontext abhängen, wie etwa dass ein break-Befehl nur innerhalb einer Schleife gültig ist.
Beispiel: Sicherstellen, dass eine return-Anweisung nur innerhalb einer Funktion steht.

Verwendung einer Symboltabelle

Ziel: Während der semantischen Analyse greift der Compiler auf eine Symboltabelle zu, in der Informationen über alle Bezeichner gespeichert sind, einschließlich ihrer Typen, Gültigkeitsbereiche und Speicherorte.
Beispiel für eine Symboltabelle:

Name	Typ	Speicherort	Gültigkeitsbereich
x	int	Register 1	Funktion `add`
y	int	Register 2	Funktion `add`
z	int	Register 3	Funktion `main`

Erstellung von Annotationsbäumen (Decorated Trees)

Ziel: Der Compiler versieht den Syntaxbaum mit zusätzlichen semantischen Informationen, wie z.B. Typinformationen und Gültigkeitsbereichen.
Beispiel für einen Decorated Tree:

                 function (add)
                    |
                   add
                    |
       --------------------------------
      |                                |
  params:(int x, int y)               body
      |                                |
   -------                          ---------
  |       |                        |         |
int x   int y                  return    expression
                                       |
                                    ---------
                                   |         |
                               int x        int y

Compiler-Prozess: Zwischencode

Definition: Transformation des angereicherten Syntaxbaums in eine abstrakte Maschinensprache.
Bedeutung: Der Zwischencode ist unabhängig von der Zielplattform und ermöglicht Optimierungen.
Beispiel: Drei-Adress-Code, Bytecode.

Zwischencode

Der Zwischencode ist eine maschinenunabhängige Darstellung des Quellcodes, die oft nach der semantischen Analyse generiert wird.

Beispiel für Zwischencode

Basierend auf unserem Funktionssyntaxbaum könnte der Zwischencode in Drei-Adress-Code wie folgt aussehen:

func add:
param x
param y
t1 = x + y
ret t1

Compiler-Prozess: Codeoptimierung

Definition: Verbesserung des Zwischencodes zur Steigerung der Effizienz.
Ziel: Reduzierung der Laufzeit und des Speicherverbrauchs des Programms.
Techniken: Dead Code Elimination, Loop Unrolling.

Compiler-Prozess: Codeerzeugung

Definition: Umwandlung des optimierten Zwischencodes in Zielcode.
Bedeutung: Der Zielcode ist spezifisch für die Maschine oder das Betriebssystem.
Beispiel: Maschinencode für eine x86-CPU.

Compiler-Prozess: Zielcode

Definition: Der finale, ausführbare Maschinencode.
Bedeutung: Dies ist der Code, der von der CPU direkt ausgeführt wird.
Wichtig: Der Zielcode muss effizient und fehlerfrei sein.

Zusammenfassung der semantischen Analyse

Die semantische Analyse stellt sicher, dass der Code sinnvoll und korrekt ist, bevor er in maschinenlesbaren Code übersetzt wird.
Fehler in dieser Phase führen in der Regel zu semantischen Fehlermeldungen, die auf logische Inkonsistenzen oder falsche Typen hinweisen.