Лекция №14. Трансляция программ.
Содержание лекции.
1. Модульная организация программы.
2. Сущность трансляции.
3. Препроцессор.
4. Трансляция и ее фазы.
5. Модулная программа. Компановка.
6. Связывание.
7. Вопросы для самопроверки.
1. Модульная организация программы
Самый верхний уровень организации программы касается только достаточно больших проектов. Это разделение программы на более-менее независимые части (модули), их независимое проектирование и трансляция.
Иерархия
Любая сложная система не обходится без иерархии, без нее большая система превращается в нечто аморфное, необозримое и слабо управляемое.
Логическая иерархия отражает логических единиц программы, таких как функции, классы, библиотеки. Физическая иерархия касается физических единиц, на которые разбивается текст программы: файл (модуль), проект. Естественно, что между ними существует взаимосвязь, но не жесткая, синтаксическая, а технологическая, соблюдаемая программистом. Иерархия программных единиц имеет три уровня:
элементом самого нижнего уровня является функция (в объектно-ориентированном программировании – метод класса). Это автономная синтаксическая единица языка. В традиционной технологии структурного программирования под модульным программированием понимают именно это: представление программы в виде системы взаимодействующих функций;
несколько функций, объединенных общем описанием обрабатываемых ими структур данных, составляют библиотеку функций (эквивалент в ООП - класс). Все это – элементы логической иерархии. В физическом представлении им соответствует модуль (в интегрированных, закрытых системах) или файл исходного текста. Особенность модульного программирования в том и состоит, что отдельные модули могут разрабатываться, транслироваться и частично отлаживаться отдельно друг от друга. Но для этого им могут потребоваться описания интерфейсов взаимодействия (в Си – заголовочные файлы);
вся программа в целом образуют проект. В интегрированных системах проект и все его модули могут быть представлены одним файлом. В традиционных системах программирования (к ним относится и Си/Си++) проект состоит из файлов исходного текста – модулей (обычные текстовые файлы), файла проекта, содержащего список модулей, настройки транслятора и т.п., а также вспомогательных файлов. В этом случае под проект отводится отдельная папка.
Способы модульной организации программы и взаимодействия ее частей в значительной степени обусловлены особенностями трансляции программы, поэтому здесь необходимы минимальные знания о трансляции и связывании программы и ее элементов.
2. Сущность трансляции. Компиляция и интерпретация
Под трансляцией в самом широком смысле можно понимать процесс восприятия компьютером программы, написанной на некотором формальном языке. При всем своем различии языки программирования имеют много общего и, в принципе, эквиваленты с точки зрения потенциальной возможности написать одну и ту же программу на любом из них. На самом деле сложно подвести под одну схему имеющееся многообразие языков программирования,
Компиляция - преобразование объектов (данных и операций над ними) с входного языка в объекты на другом языке для всей программы в целом с последующим выполнением полученной программы в виде отдельного шага.
Интерпретация - анализ отдельного объекта на входном языке с одновременным выполнением (интерпретацией).
Следовательно, компиляция и интерпретация отличаются не характером и методами анализа и преобразования объектов программы, а совмещением фаз обработки этих объектов во времени. То есть при компиляции фазы преобразования и выполнения действий разнесены во времени, но зато каждая из них выполняется над всеми объектами программы одновременно. При интерпретации, наоборот, преобразование и выполнение действий объединены во времени, но для каждого объекта программы.
Если посмотреть на эти различия несколько с другой стороны, то можно заметить, что интерпретатор непосредственно выполняет действия, связанные с определением или преобразованием объектов программы, а компилятор - переводит их на другой (не обязательно машинный язык). Отсюда можно сделать несколько выводов:
для выполнения программы, написанной на определенном формальном языке после ее компиляции необходим интерпретатор, выполняющий эту программу, но уже записанную на выходном языке компилятора;
процессор и память любого компьютера (а в широком смысле и вся программная среда, создаваемая операционной системой, является интерпретатором машинного кода);
в практике построения трансляторов часто встречается случай, когда программа компилируется с входного языка на некоторый промежуточный уровень (внутренний язык), для которого имеется программный интерпретатор. Многие языковые системы программирования, называемые интерпретаторами, на самом деле имеют фазу компиляции во внутренне представление, на котором производится интерпретация.
Выходной язык компилятора может быть машинным языком для компьютера с другой архитектурой, нежели тот, в котором работает компилятор. Такой компилятор называется кросс-компилятором, а сама система программирования кросс-системой программирования. Такие системы используются для разработки программ для архитектур, не имеющих собственных операционных систем или систем программирования (контроллеры, управляющие микропроцессоры).
Таким образом, граница между компиляцией и интерпретацией в трансляторе может перемещаться от входного языка (тогда мы имеем чистый интерпретатор) до машинного кода (тогда речь идет о чистом компиляторе).
Создание слоя программной интерпретации для некоторого промежуточного языка в практике построения трансляторов обычно встречается при попытке обеспечить совместимость для имеющегося многообразия языков программирования, операционных систем, архитектур и т.д. То есть определяется некоторый внутренний промежуточный язык, достаточно простой, чтобы для него можно было написать интерпретатор для всего имеющегося многообразия операционных систем или архитектур. Затем пишется одни (или несколько) компиляторов для одного (или нескольких) входных языков на этот промежуточный уровень. Приведем примеры такой стандартизации:
для обеспечения совместимости и переносимости трансляторов на компьютеры с различной архитектурой или с различными операционными системами был разработан универсальный внутренний язык (P-код). Для каждой такой архитектуры необходимо реализовать свой интерпретатор P-кода. При этом все разнообразие имеющихся компиляторов с языков высокого уровня на P-код может быть использовано без каких-либо изменений.
язык программирования Java аналогично был разработан для обеспечения переносимости различных приложений в среде Internet. Исходный текст Java-программы компилируется в байт-код, представляющий собой двоичное представление команд виртуального процессора (виртуальной Java-машины или JVM). Наличие в любом браузере JVM, которая является интерпретатором байт-кода, позволяет передавать по сети и выполнять Java-программу, независимо от архитектуры, операционной системы и т.п..
Одним из существенных свойств «классического» Си является чистый программный код. Что это значит? Во-первых, транслятор представляет собой компилятор, генерирующий программный код целевого процессора. Во-вторых, транслятор «сознательно» не включает в этот код никаких дополнительных команд и обращений к внешним функциям, кроме явно прописанных в программе. То же самое касается и обрабатываемых данных: они имеют прямое представление в памяти без всяких дополнений или изменений. Все это гарантирует программе следующие свойства:
программист контролирует эффективность полученного программного кода;
программист контролирует размерности и размещение данных в памяти;
программный код может выполняться без поддержки какой-либо операционной среды (исполнительной системы языка, библиотек, операционной системы), т.е. на «голой» (standalone) машине.
Именно поэтому на классическом Си могут быть написаны такие компоненты, как программы для встроенных процессоров, ядро и драйверы операционных систем, т.е. то, что традиционно пишется на машинном языке (языке Ассемблера). Поэтому «классический» Си еще называют машинно-независимым Ассемблером.
Что же касается Си++, то там указанные принципы частично нарушаются, хотя он тоже является «чистым» компилятором, но не обеспечивает чистоту программного кода и данных.
Фазы трансляции и выполнения программы
Технология подготовки программ для языков компилирующего типа (к каковым относится Си/Си++) сформировалась в начале 60-х годов и с тех пор не претерпела существенных изменений. Заложенные тогда принципы оказывают влияние на способы использования стандартных библиотечных функций и разработки больших проектов.
Подготовка программы начинается с редактирования файла, содержащего текст этой программы, который имеет стандартное расширение для данного языка. Затем выполняется его трансляция (компиляция), которая включает в себя несколько фаз: препроцессор, лексический, синтаксический, семантический анализ, генерация кода и его оптимизация. В результате трансляции получается объектный модуль - некий «полуфабрикат» готовой программы, который потом участвует в ее сборке. Файл объектного модуля имеет стандартное расширение obj. Компоновка (сборка) программы заключается в объединении одного или нескольких объектных модулей программы и объектных модулей, взятых из библиотечных файлов, содержащих стандартные функции и другие полезные вещи. В результате получается исполняемая программа в виде отдельного файла (загрузочный модуль, программный файл) со стандартным расширением - exe, который затем загружается
в память и выполняется.
При модульном проектировании весьма важна разница между определением и объявлением объектов программы (переменных, функций, методов, классов). Определение переменной или функции – это фрагмент программы, в котором полностью задано содержание объекта, и по которому происходит его трансляция во внутреннее представление. Объявление только упоминает объект языка и перечисляет его свойства, если он недоступен в данной точке программы. С учетом раздельного размещения определений и объявлений в проекте модульной Си-программы присутствуют три вида файлов (модулей):
файлы исходного текста (с расширением - cpp), содержащие определения переменных, функций, методов;
заголовочные файлы (с расширением - h), содержащие объявления для соответствующих файлов исходного текста;
объектные модули (с расширением – obj), полученные в результате независимой трансляции файлов исходного текста.
Назначение заголовочных файлов заключается в том, что содержащиеся в них объявления позволяют сформировать правильный программный код для обращения к объекту языка, который определен в другом модуле (следовательно, его внутреннее представление находится в другом объектном модуле). Для обращения к такому внешнему объекту необходимо подключить соответствующий заголовочный файл с его объявлением директивой include. То же самое касается данных и функций, содержащихся в библиотеках и библиотечных классах.
Модульное проектирование на «классическом» Си