Построение компилятора на Pascal - Немного философии (ч.8)

Delphi , Алгоритмы , Компиляторы

Построение компилятора на Pascal - Немного философии (ч.8)

ВВЕДЕНИЕ

Этот урок будет отличаться от других уроков в нашей серии по синтаксическому анализу и конструированию компиляторов. На этом уроке не будет никаких экспериментов или кода. На этот раз я хотел бы просто поговорить с вами некоторое время. К счастью, это будет короткий урок и затем мы сможем продолжить с того места где остановились, надо надеяться с обновленной энергией.

Когда я учился в университете, я обнаружил, что могу всегда следить за профессорской лекцией намного лучше, если знал куда он идет. Готов поспорить, с вами было то же самое.

Так что я подумал, может быть пришло время рассказать вам куда мы идем с этой серией: что нас ждет в будущих главах и вообще что к чему. Я также поделюсь своими общими мыслями о полезности того, что мы делали.

ДОРОГА ДОМОЙ

Пока что мы охватили синтаксический анализ и трансляцию арифметических выражений, булевых выражений и их комбинаций, связанных операторами отношений. Мы также сделали то же самое для управляющих конструкций. Во всем этом мы склонялись в основном к использованию нисходящего синтаксического анализа методом рекурсивного спуска, определение синтаксиса в БНФ и непосредственной генерации ассемблерного кода. Мы также изучили значение такого приема как одно-символьные токены. В последней главе мы работали с лексическим анализом и я показал вам простой но мощный способ преодоления одно-символьного барьера.

В течение всех этих исследований, я особенно выделял философию KISS... Keep It Simple, Sidney... и я надеюсь, что к настоящему времени вы поняли, насколько простыми могут в действительности быть эти вещи. Хотя наверняка имеются области в теории компиляции которые являются по настоящему пугающими, основной мыслью этой серии является то, что на практике вы можете просто вежливо обойти многие из этих областей. Если определение языка способствует этому или, как в этой серии, если вы можете определить язык по ходу дела, то возможно записать определение языка в БНФ с достаточным удобством. И, как мы видели, вы можете вывести процедуры синтаксического анализа из БНФ почти также быстро, как вы можете набирать на клавиатуре.

По мере того, как наш компилятор принимал некоторую форму, он приобретал больше частей, но каждая часть довольно мала и проста и очень похожа на все другие.

К этому моменту у нас есть многое из того, что составляет настоящий практический компилятор. Фактически, мы уже имеем все что нам нужно для создания игрушечного языка столь же мощного, как, скажем, Tiny Basic. В следующих двух главах мы пойдем вперед и определим этот язык.

Для завершения этой серии, у нас все еще есть несколько тем для раскрытия. Они включают:

Все это будет рассмотрено в будущих главах. Когда мы закончим, вы будете иметь все инструменты, необходимые для разработки и создания своего собственного языка и компиляторов для его трансляции.

Я не могу спроектировать эти языки для вас, но я могу дать некоторые комментарии и рекомендации. Я уже высказал некоторые из них в прошлых главах. Вы видели, например, какие управляющие структуры я предпочитаю.

Эти конструкции будут частью создаваемых мной языков. К этому моменту я представляю три языка, два из которых вы увидите в очередных главах:

TINY - минимальный, но пригодный для использования язык уровня Tiny Basic или Tiny C. Он не будет очень практичным, но будет достаточно мощным, чтобы позволить вам писать и запускать настоящие программы которые делают что-нибудь заслуживающее внимание.

KISS - язык, который я создаю для своего собственного использования. KISS предназначен быть языком системного программирования. Он не будет иметь строгого контроля типов или причудливых структур данных, но он будет поддерживать большинство вещей, которые я хочу делать с языком более высокого уровня (HOL), за исключением возможно написания компиляторов.

Я также играл в течение нескольких лет с идеей HOL-подобного ассемблера со структурными управляющими конструкциями и HOL-подобными операциями присваивания. Это фактически было стимулом для моего первоначального углубления в джунгли теории компиляции. Этот язык возможно никогда не будет создан просто потому, что я узнал, что проще реализовать язык типа KISS, который использует только подмножество инструкций ЦПУ. Как вы знаете, ассемблер может быть предельно причудливым и нерегулярным, и язык, который отображается в него один к одному, может быть настоящим вызовом. Однако я всегда чувствовал, что синтаксис, используемый в стандартных ассемблерах тупой... почему

      MOVE.L A,B

лучше или проще для трансляции, чем

      B=A?

Я думаю, было бы интересным упражнением разработка "компилятора" который дал бы программисту полный доступ и к контролю над полным набором инструкций ЦПУ, и позволил бы вам генерировать программы настолько же эффективные как язык ассемблер без болезненного изучения набора мнемоник. Это может быть сделано? Я не знаю. Настоящим вопросом может быть вопрос "будет ли полученный язык проще, чем ассемблер?" Если нет, то в нем нет никакого смысла. Я думаю, что это может быть сделано, но я полностью еще не уверен в том, как должен выглядеть синтаксис.

Возможно у вас есть некоторые комментарии  или предложения об этом. Буду рад услышать их.

Вы возможно не будете удивлены узнав, что уже работал в большинстве тех областей, которые мы рассмотрим. Я имею несколько хороших новостей: дела никогда не будут намного более сложными, чем они были до этого. Возможно построить завершенный, работающий компилятор для реального языка используя только те самые методы которые вы изучили до этого. И это поднимет некоторые интересные вопросы.

ПОЧЕМУ ЭТО ТАК ПРОСТО?

Перед осуществлением этой серии я всегда думал, что компиляторы были просто естественно сложными компьютерными программами... предельно вызывающими. Однако то, что мы здесь делали обычно оказывалось совершенно простым, иногда даже тривиальным.

Некоторое время я думал, что это было просто потому, что я еще не залез в глубь темы. Я только охватил простые части. Я легко признаюсь вам что даже когда я начинал эту серию я не был уверен в том, как далеко мы будем способны продвинуться прежде чем дела станут слишком сложными для работы имеющимися способами. Но сейчас я уже нахожусь достаточно близко, чтобы увидеть конец пути. Какой вывод?

ЗДЕСЬ НЕТ НИЧЕГО СЛОЖНОГО!

Затем я думал, что причина в том, что мы не генерировали очень хороший объектный код. Те из вас, кто следовали этой серии и пытались компилировать примеры, знают, что хотя код работает и достаточно отказоустойчив, его эффективность довольно ужасна. Я подчеркивал, что если бы мы сконцентрировались на получении компактного кода, то быстро бы получили всю недостающую сложность.

В какой то степени это так. В частности, мои первые небольшие усилия при попытке повысить эффективность подняли сложность до опасного уровня. Но с той поры когда я возился с некоторыми простыми методами оптимизацией и обнаружил некоторые, которые приводят к очень приличному качеству кода без добавления больших сложностей.

Наконец я подумал, что возможно причина была в "игрушечной" природе компилятора Я не претендовал на то, что мы когда-нибудь будем способны построить компилятор, конкурирующий с Borland и Microsoft. И однако снова, когда я забираюсь глубже в эти дела различия начинают стираться.

Просто чтобы удостовериться что до вас дошла эта мысль, позвольте мне ее высказать напрямую:

Используя методы, которые мы здесь применяли, возможно создать работающий, промышленного качества компилятор не добавляя много сложности к тому, что мы уже сделали.

С тех пор, как началась эта серия, я получил от вас некоторые комментарии. Большинство из них повторяют мои собственные мысли: "Это просто! Почему учебники представляют это настолько сложным?" Хороший вопрос.

Недавно я возвратился и взглянул на некоторые из этих текстов снова и даже купил и читаю некоторые новые. Каждый раз я возвращался с тем же чувством: эти ребята представляют это слишком сложным.

Что происходит? Почему все это кажется сложным в этих книгах, но легким для нас? Действительно ли мы умней чем Ахо, Ульман, Бринч Хансен и все остальные?

Едва ли. Но мы делаем некоторые вещи по-другому и все более и более я начинаю ценить значение нашего подхода и способ, которым он упрощает дело. Кроме очевидных сокращений, которые я выделил в первой части, типа одно-символьных токенов и консольного ввода/вывода, мы сделали некоторые неявные предположения и сделали некоторые вещи отличными от того, как разрабатывали компиляторы в прошлом. Как оказалось, наш метод делает жизнь намного проще.

Но почему все другие ребята не используют его?

Вы должны вспомнить контекст некоторых ранних разработок компиляторов. Эти люди работали на очень небольших компьютерах с ограниченными возможностями. Объемы памяти были очень ограничены, набор команд центрального процессора был минимален и программы чаще выполнялись в пакетном режиме, чем в интерактивном. Как оказалось, это повлияло на некоторые ключевые решения проекта, которые действительно усложнили проект. До недавнего времени я не понимал, насколько классический дизайн компилятора был обусловлен доступным оборудованием.

Даже в тех случаях, где эти ограничения больше не накладывались, люди предпочитали структурировать их программы тем же самым образом, так как это способ, которому они обучались.

В нашем случае мы начали с чистого листа бумаги. Имеется опасность, конечно, что вы попадетесь в ловушки, которые другие люди давно научились избегать. Но это также позволило нам использовать различные подходы, которые, частично из-за проекта, частично из-за чистой удачи, позволили нам добиться простоты.

Имеются области, которые, я думаю, в прошлом приводили к сложности:

Я только что прочитал "Brinch Hansen on Pascal Compilers" (отличная книга, BTW). Он разработал компилятор Pascal для PC, но он начал в 1981 г. с систем с 64К памяти и  поэтому почти каждое решение проекта который он делал, было нацелено на то, чтобы уместить компилятор в ОЗУ. Чтобы сделать это, его компилятор выполнял три прохода, один из которых - лексический анализ. Не было никакого способа, с помощью которого он мог бы, например, использовать распределенный сканер, который я представил в последней главе, потому что структура программы не позволяла этого. Ему также требовались не один а два промежуточных языка для обеспечения связи между фазами.

Все ранние создатели компиляторов были вынуждены иметь дело с такой проблемой: разбить компилятор на достаточные части так, чтобы они поместились в памяти. Когда у вас есть множество проходов, вы должны добавить структуры данных для поддержки информации которую каждый проход оставляет для следующего. Это добавляет сложность и завершает управление проектом. В книге Ли "The Anatomy of a  Compiler" упоминается компилятор Fortran, разработанный для IBM 1401. Он имел не менее 63 отдельных проходов! Само собой разумеется, в компиляторе, подобном этому, разделение на фазы доминировало бы над дизайном.

Даже в ситуации, когда ОЗУ достаточно, люди предпочитали использовать те же самые методы, с которыми они хорошо знакомы. До тех пор, пока не появился Turbo Pascal, мы не знали насколько может быть простым компилятор если бы вы начали с других предположений.

В ранние дни пакетная обработка была единственным выбором... не существовало никаких интерактивных вычислений. Даже сегодня компиляторы по существу выполняются в пакетном режиме.

В компиляторах для майн-фреймов, так же как и во многих микро компиляторах,  значительные усилия расходуются на восстановление после ошибок... это может занять 30-40% компилятора и полностью управлять проектом. Идея состоит в том, чтобы избежать остановки на первой ошибке, а скорее идти любой ценой, так чтобы вы могли сказать программисту о как можно большем количестве ошибок во всей программе насколько возможно.

Все это возвращает нас к дням ранних майн-фреймов, где время выполнения измерялось в часах и днях и было важно выжать каждую последнюю унцию информации из каждого выполнения.

В этой серии я был очень осторожен и избежал проблемы восстановления после ошибок и вместо этого наш компилятор просто останавливается с сообщением на первой ошибке. Я откровенно признаюсь, что это было в основном потому, что я захотел использовать легкий путь и сохранить простоту. Но этот метод, заданный изначально Borland в Turbo Pascal также имеет много полезного в любом случае. Кроме сохранения простоты компилятора это также очень хорошо соответствует идее интерактивной системы. Когда компиляция происходит быстро и, особенно, когда вы имеете  редактор типа Borland который будет правильно указывать вам на точку ошибки, тогда имеет смысл остановиться там и просто перезапустить компиляцию после того, как ошибка исправлена.

Ранние компиляторы были разработаны для поддержки больших программ... по существу бесконечных. В те дни существовал небольшой выбор; идея с библиотеками подпрограмм и раздельной компиляцией была еще в будущем. Снова, это предположение вело к многопроходному дизайну и промежуточным файлам для поддержки результатов раздельной обработки.

Поставленная Бринч Хансеном цель состояла в том, чтобы компилятор был способен компилировать сам себя. Снова, из-за ограничений оперативной памяти это приводило его к многопроходному дизайну. Он нуждался в таком маленьком резидентном коде компилятора, насколько возможно, так чтобы необходимые таблицы и другие структуры данных поместились в оперативную память.

Я не заявил об этом пока, потому что не было необходимости... мы всегда просто читали и записывали данные как потоки, в любом случае. Но, для заметки, мой план всегда был в том, чтобы в промышленном компиляторе исходные и объектные данные должны сосуществовать в ОЗУ с компилятором, а ля ранний Turbo Pascal. Вот почему я был осторожен и сохранил подпрограммы типа GetChar и Emit как отдельные подпрограммы, несмотря на их небольшой размер. Будет просто изменить их на чтение и запись из памяти.

Джон Бэкус заявил, что когда он и его коллеги разработали первоначальный компилятор Fortran они знали, что они должны получать компактный код. В те дни имелись сильные чувства против HOL в пользу ассемблера и причиной была эффективность. Если бы Fortran не производил очень хороший код по стандартам ассемблера, пользователи просто бы отказались использовать его. Заметьте, компилятор Fortran оказался одним из наиболее эффективных из когда либо созданных в терминах качества кода. Но он был сложным!

Сегодня мы имеем мощь ЦПУ и размер ОЗУ с запасом, так что эффективность кода не такая большая проблема. Старательно игнорируя эту проблему мы действительно были способны сохранить простоту. Как ни странно, тем не менее, как я сказал, я нашел некоторую оптимизацию которую мы можем добавить в базовую структуру компилятора не добавляя слишком много сложности. Так что в этом случае мы получим свой пирог и съедим его:  мы в любом случае закончим с приемлемым качеством кода.

Первые компьютеры имели примитивный набор команд. Вещи, которые мы считаем само собой разумеющимися, такие как операции со стеком и косвенная адресация появились с большими сложностями.

Пример: в большинстве компиляторов имеется структура данных, называемая литерный пул (literal pool). Компилятор обычно идентифицирует все литералы, используемые в программе, и собирает их в одиночную структуру данных. Все ссылки на литералы сделаны косвенно на этот пул. В конце компиляции компилятор выдает команды для выделения памяти и инициализации литерного пула.

Нам пока не нужно было обращаться к этой проблеме. Когда нам нужно загрузить литерал мы просто делаем это строкой:

      MOVE #3,D0

Можно кое-что упомянуть об использования литерного пула особенно на машине типа 8086, где данные и код могут быть разделены. Однако все это добавляет довольно большое количество сложности с небольшим результатом.

Конечно, без стека мы бы потерялись. И вызовы подпрограмм и временная память сильно зависят от стека и мы использовали его даже больше, чем необходимо для облегчения синтаксического анализа выражений.

Многое из содержимого типичной книги по компиляторам акцентировано на вопросы, к которым мы совсем не обращались... вопросы типа автоматической трансляции грамматик или генерация таблиц LALR анализа. Это не просто, потому что авторы хотят впечатлить вас. Имеются хорошие практические причины, почему эти темы рассмотрены здесь.

Мы концентрировались на использовании синтаксического анализатора с рекурсивным спуском для анализа детерминированной грамматики, т.е. грамматики, которая однозначна и, следовательно, может быть проанализирована с одним уровнем предсказания. Я не сделал из этого большого ограничения, но факт то, что это представляет небольшое подмножество возможных грамматик. Фактически, существует бесконечное число грамматик, которые мы не можем анализировать используя наш метод. LR метод более мощный и может работать с теми грамматиками, с которыми мы не можем.

В теории компиляции важно знать, как работать с этими другими грамматиками и как преобразовать их в грамматики которые проще для работы с ними. К примеру многие (но не все) неоднозначные грамматики могут быть преобразованы в однозначные. Способ сделать это не всегда очевиден, все таки, и так много людей посвятили годы на разработку способа их автоматического преобразования.

На практике, эти проблемы оказываются значительно менее важными.  Современные языки стараются разрабатывать так, чтобы они были простыми для анализа в любом случае. Это было ключевой мотивацией при разработке Pascal. Несомненно, имеются паталогические грамматики, для которых вы с большим трудом написали бы однозначную БНФ, но в реальном мире лучшим ответом возможно было бы  избежание этих грамматик.

В нашем случае, конечно, мы трусливо позволили языку развиваться по ходу дела. Вы не можете всегда иметь такую роскошь. Однако, с небольшой заботой вы были бы способны сохранить синтаксический анализатор простым без необходимости прибегать к автоматическому переводу грамматик.

В этой серии мы приняли значительно отличающийся подход. Мы начали с чистого листа бумаги и разработали методы, которые работают в том контексте, в котором мы находимся: это однопользовательский персональный компьютер с вполне достаточно мощным ЦПУ и объемом ОЗУ. Мы ограничили сами себя приемлемыми грамматиками, которые легки для анализа, мы с успехом использовали систему команд ЦПУ, и мы не концентрировались на эффективности. Именно поэтому это было просто.

Означает ли это, что мы навсегда обречены создавать только игрушечные компиляторы? Нет, я так не думаю. Я уже сказал, что мы можем добавить некоторую оптимизацию без изменения структуры компилятора. Если мы захотим обрабатывать большие файлы, мы всегда можем добавить для этого буферизацию файлов. Эти вещи не оказывают влияния на общий дизайн компилятора.

И я думаю что это главный фактор. Начав с маленьких и ограниченных случаев мы были способны сконцентрироваться на структуре компилятора, которая естественна для работы. Так как структура естественным образом удовлетворяет работе, она почти обречена быть простой и прозрачной. Добавление возможностей не должно изменять основную структуру. Мы можем просто добавить расширения типа файловой структуры или добавить уровень оптимизации. Я считаю, что когда ресурсы были ограничены, структуры, которые люди получали, были искусственно искажены чтобы заставить их работать в этих условиях, и не были оптимальными структурами для имеющейся проблемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В любом случае, это мое личное предположение каким образом у нас была возможность сохранить простоту. Мы начали с чего-то простого и позволили ему развиваться естественным образом, не пытаясь направит его в какое-то традиционное русло.

Мы собираемся продолжать таким же образом. Я дал вам список областей, которые мы охватим в следующих главах. После прочтения этих глав вы будете способны создавать законченные, работающие компиляторы почти для любого случая и делать это легко. Если вы действительно хотите создать компилятор промышленного качества вы сможете сделать и это также.

Для тех из вас, кто застоялся в ожидании кода для синтаксического анализатора, я приношу извинения за это отклонение. Я просто подумал, что вы хотели бы немного рассмотреть дела в перспективе. В следующий раз мы вернемся к основной цели обучения.

Пока что мы рассмотрели только части компиляторов и хотя мы имеем многое из завершенного языка мы не говорили о том как сложить все это вместе. Это будет темой наших следующих двух глав. Затем мы поспешим к новым темам, которые я указал в начале этой главы.

Статья Построение компилятора на Pascal - Немного философии (ч.8) раздела Алгоритмы Компиляторы может быть полезна для разработчиков на Delphi и FreePascal.

Комментарии и вопросы

:: Главная :: Компиляторы ::