Các giai đoạn của trình biên dịch

Các giai đoạn của trình biên dịch là gì?

Trình biên dịch hoạt động trong các giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn biến đổi chương trình nguồn từ hình thức này sang hình thức khác. Mỗi giai đoạn lấy đầu vào từ giai đoạn trước của nó và đưa đầu ra của nó sang giai đoạn tiếp theo của trình biên dịch.

Có 6 giai đoạn trong một trình biên dịch. Mỗi giai đoạn này giúp chuyển đổi ngôn ngữ cấp cao thành mã máy. Các giai đoạn của trình biên dịch là:

1. Phân tích từ vựng.
2. Phân tích cú pháp.
3. Phân tích ngữ nghĩa.
4. Trình tạo mã trung gian.
5. Tối ưu mã.
6. Trình tạo mã.

Tất cả các giai đoạn này chuyển đổi mã nguồn bằng cách chia thành các mã thông báo, tạo cây phân tích cú pháp và tối ưu hóa mã nguồn theo các giai đoạn khác nhau.

Giai đoạn 1: Phân tích từ vựng

Phân tích từ vựng là giai đoạn đầu tiên khi trình biên dịch quét mã nguồn. Quá trình này có thể từ trái sang phải, theo từng ký tự và nhóm các ký tự này thành các mã thông báo.

Ở đây, dòng ký tự từ chương trình nguồn được nhóm thành các chuỗi có ý nghĩa bằng cách xác định các mã thông báo. Nó nhập các nhãn tương ứng vào bảng ký hiệu và chuyển mã thông báo đó sang giai đoạn tiếp theo.

Các chức năng chính của giai đoạn này là:

• Xác định các đơn vị từ vựng trong mã nguồn.
• Phân loại các đơn vị từ vựng trong các lớp như hằng, từ khóa riêng và nhập chúng vào các bảng khác nhau. Nó sẽ bỏ qua các comment trong chương trình nguồn.
• Xác định mã thông báo không phải là một phần của ngôn ngữ.

Ví dụ:

x = y + 10

Mã thông báo sẽ là:

Giai đoạn 2: Phân tích cú pháp

Phân tích cú pháp là khám phá tất cả cấu trúc trong mã. Nó xác định xem một văn bản có tuân theo định dạng hay không. Mục đích chính của giai đoạn này là đảm bảo rằng mã nguồn được lập trình viên viết là chính xác hay không.

Phân tích cú pháp dựa trên các quy tắc dựa trên ngôn ngữ lập trình cụ thể bằng cách xây dựng cây phân tích với sự trợ giúp của các mã thông báo. Nó cũng xác định cấu trúc của ngôn ngữ nguồn và ngữ pháp hoặc cú pháp của ngôn ngữ.

Dưới đây là danh sách các nhiệm vụ được thực hiện trong giai đoạn này:

• Lấy mã thông báo từ trình phân tích từ vựng.
• Kiểm tra xem biểu thức có đúng về mặt cú pháp hay không.
• Báo cáo tất cả các lỗi cú pháp.
• Xây dựng một cấu trúc phân cấp được gọi là cây phân tích cú pháp.

Ví dụ:

Bất kỳ định danh / số là một biểu thức

Nếu x là định danh và y + 10 là biểu thức thì x = y + 10 là câu lệnh.

Xem xét cây phân tích cho ví dụ sau:

(a + b) * c

Trong cây phân tích:

• Nút bên trong: lưu trữ thông tin toán tử.
• Nút lá: lưu trữ thông tin toán hạng.
• Đảm bảo rằng các thành phần của chương trình khớp với nhau một cách có ý nghĩa.
• Tập hợp thông tin kiểu dữ liệu và kiểm tra tính tương thích của kiểu dữ liệu.
• Kiểm tra toán hạng được cho phép bởi ngôn ngữ nguồn.

Giai đoạn 3: Phân tích ngữ nghĩa

Phân tích ngữ nghĩa kiểm tra tính nhất quán ngữ nghĩa của mã. Nó sử dụng cây cú pháp của pha trước cùng với bảng ký hiệu để xác minh rằng mã nguồn đã cho là phù hợp về mặt ngữ nghĩa. Nó cũng kiểm tra xem mã có truyền đạt ý nghĩa thích hợp hay không.

Trình phân tích ngữ nghĩa sẽ kiểm tra các kiểu dữ liệu không khớp, toán hạng không tương thích, một hàm được gọi với các đối số không chính xác, một biến không được khai báo, v.v.

Chức năng của giai đoạn phân tích ngữ nghĩa là:

• Giúp bạn lưu trữ thông tin kiểu dữ liệu được thu thập và lưu nó trong bảng ký hiệu hoặc cây cú pháp.
• Cho phép bạn thực hiện kiểm tra kiểu dữ liệu.
• Trong trường hợp kiểu dữ liệu không khớp, một lỗi ngữ nghĩa được đưa ra.
• Thu thập thông tin kiểu dữ liệu và kiểm tra tính tương thích của kiểu dữ liệu.
• Kiểm tra xem ngôn ngữ nguồn có cho phép toán hạng hay không.

Ví dụ

float x = 20.2;
float y = x * 30;

Trong đoạn mã trên, bộ phân tích ngữ nghĩa sẽ ép kiểu số nguyên 30 thành kiểu float 30.0 trước khi thực hiện phép nhân.

Giai đoạn 4: Tạo mã trung gian

Sau khi giai đoạn phân tích ngữ nghĩa hoàn tất, trình biên dịch tạo mã trung gian cho máy đích. Nó tạo ra một chương trình cho một số máy trừu tượng.

Mã trung gian nằm giữa ngôn ngữ cấp cao và ngôn ngữ máy. Mã trung gian này cần được tạo theo cách giúp dễ dàng dịch mã sang mã máy đích bất kỳ.

Hoạt động tạo mã trung gian:

• Nó nên được tạo từ ngữ nghĩa của chương trình nguồn.
• Giữ các giá trị được tính toán trong quá trình dịch.
• Giúp bạn dịch mã trung gian sang ngôn ngữ đích.
• Cho phép bạn duy trì thứ tự ưu tiên của ngôn ngữ nguồn.
• Nó giữ đúng số toán hạng của lệnh.

Ví dụ:

total = count + rate * 5

Mã trung gian với sự trợ giúp của phương pháp mã địa chỉ là:

t1 := int_to_float(5) 
t2 := rate * t1 
t3 := count + t2
total := t3

Giai đoạn 5: Tối ưu mã

Giai đoạn tiếp theo là tối ưu mã hoặc mã trung gian. Giai đoạn này loại bỏ dòng mã không cần thiết và sắp xếp chuỗi các câu lệnh để tăng tốc độ thực hiện chương trình mà không lãng phí tài nguyên.

Mục tiêu chính của giai đoạn này là cải thiện mã trung gian để tạo mã chạy nhanh hơn và chiếm ít không gian hơn.

Các chức năng chính của giai đoạn này là:

• Nó giúp bạn thiết lập sự đánh đổi giữa tốc độ thực thi và tốc độ biên dịch.
• Cải thiện thời gian chạy của chương trình đích.
• Loại bỏ mã không thể truy cập và loại bỏ các biến không sử dụng.
• Xóa các câu lệnh không bị thay đổi khỏi vòng lặp

Ví dụ:

Hãy xem đoạn mã sau đây:

a = intofloat(10)
b = c * a
d = e + b
f = d

Có thể trở thành:

b = c * 10.0
f = e + b

Giai đoạn 6: Tạo mã

Tạo mã là giai đoạn cuối cùng và cuối cùng của trình biên dịch. Nó nhận đầu vào từ giai đoạn tối ưu hóa mã và tạo ra mã hợp ngữ hoặc mã đối tượng. Mục tiêu của giai đoạn này là phân bổ lưu trữ và tạo mã máy.

Nó cũng phân bổ các vị trí bộ nhớ cho biến. Các chỉ thị trong mã trung gian được chuyển đổi thành mã máy. Giai đoạn này chuyển đổi mã tối ưu hóa hoặc mã trung gian vào ngôn ngữ đích.

Ngôn ngữ đích là mã máy. Do đó, tất cả các vị trí bộ nhớ và thanh ghi cũng được chọn và phân bổ trong giai đoạn này. Mã được tạo bởi giai đoạn này được thực thi để lấy đầu vào và tạo đầu ra dự kiến.

Ví dụ:

a = b + 60.0

Có thể được dịch sang hợp ngữ.

MOVF a, R1
MULF #60.0, R2
ADDF R1, R2

Quản lý bảng ký hiệu

Một bảng ký hiệu chứa một bản ghi cho mỗi mã định danh với các trường cho các thuộc tính của mã định danh.

Thành phần này giúp trình biên dịch dễ dàng tìm kiếm bản ghi định danh và truy xuất nó nhanh chóng.

Bảng ký hiệu cũng giúp bạn quản lý phạm vi. Bảng ký hiệu và trình xử lý lỗi tương tác với tất cả các giai đoạn và bảng ký hiệu cập nhật tương ứng.

Xử lý lỗi

Trong quá trình thiết kế trình biên dịch, lỗi có thể xảy ra trong tất cả các giai đoạn dưới đây:

• Phân tích từ vựng: Mã thông báo sai chính tả.
• Phân tích cú pháp: Thiếu dấu ngoặc đơn.
• Trình tạo mã trung gian: Toán hạng không khớp cho toán tử.
• Trình tối ưu hóa mã: Khi không thể truy cập câu lệnh.
• Trình tạo mã: Câu lệnh không thể truy cập
• Bảng ký hiệu: Lỗi của các định danh được khai báo.

Các lỗi phổ biến nhất là chuỗi ký tự không hợp lệ khi quét, chuỗi mã thông báo không hợp lệ về kiểu dữ liệu, lỗi phạm vi và phân tích cú pháp trong phân tích ngữ nghĩa.

Lỗi có thể gặp phải trong bất kỳ giai đoạn nào ở trên. Sau khi tìm thấy lỗi, giai đoạn cần xử lý các lỗi để tiếp tục quá trình biên dịch. Những lỗi này cần được báo cáo cho bộ xử lý lỗi xử lý lỗi để thực hiện quá trình biên dịch. Nói chung, các lỗi được báo cáo dưới dạng thông điệp.

Tóm tắt

• Trình biên dịch hoạt động theo các giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn biến đổi chương trình nguồn từ hình thức này sang hình thức khác.
• Sáu giai đoạn của thiết kế trình biên dịch là 1) Phân tích từ vựng 2) Phân tích cú pháp 3) Phân tích ngữ nghĩa 4) Trình tạo mã trung gian 5) Trình tối ưu hóa mã 6) Trình tạo mã
• Phân tích từ điển là giai đoạn đầu tiên khi trình biên dịch quét mã nguồn.
• Phân tích cú pháp là khám phá tất cả cấu trúc trong văn bản.
• Phân tích ngữ nghĩa kiểm tra tính nhất quán ngữ nghĩa của mã.
• Sau khi giai đoạn phân tích ngữ nghĩa hoàn thành, trình biên dịch tạo mã trung gian cho máy đích.
• Giai đoạn tối ưu hóa mã loại bỏ cá dòng mã không cần thiết và sắp xếp chuỗi các câu lệnh.
• Giai đoạn tạo mã nhận đầu vào từ giai đoạn tối ưu hóa mã và tạo ra mã hợp ngữ hoặc mã đối tượng.
• Một bảng ký tự chứa một bản ghi cho mỗi mã định danh với các trường cho các thuộc tính của mã định danh.
• Xử lý lỗi khi biên dịch.