Compiler
Ein Compiler (auch Kompilierer oder Übersetzer) ist ein Computerprogramm, das ein in einer Quellsprache geschriebenes Programm in ein semantisch äquivalentes Programm einer Zielsprache umwandelt. Üblicherweise handelt es sich dabei um die Übersetzung eines von einem Programmierer in einer Programmiersprache geschriebenen Quelltextes in Assemblersprache oder Maschinensprache.
Der Compilerbau, also die Programmierung eines Compilers, ist eine eigenständige Disziplin innerhalb der Informatik.
Die Bezeichnungen Compiler oder Kompilierer sind eigentlich irreführend, weil sie von der Zusammenstellung von Tabellen herrühren, die der Compiler intern für seine Datenverwaltung benötigt, was aber an der Kernaufgabe eines Compilers vorbeigeht.
Verwandt mit einem Compiler ist ein Interpreter, der ein Programm nicht in die Zielsprache übersetzt, sondern Schritt für Schritt direkt ausführt.
Aufbau eines Compilers
Es lassen sich im Wesentlichen zwei Phasen unterscheiden: eine Analysephase, die den Quelltext analysiert und daraus einen Syntaxbaum erzeugt, sowie die Synthesephase, die daraus das Zielprogramm erzeugt.
Analysephase (auch "Frontend")
Lexikalische Analyse
Die lexikalische Analyse zerteilt den eingelesenen Quelltext in zusammengehörende Token verschiedener Klassen, z.B. Schlüsselwörter, Bezeichner, Zahlen und Operatoren. Dieser Teil des Compilers heißt Scanner oder Lexer.
Ein Scanner benutzt gelegentlich einen separaten Screener, um Whitespace (Leerraum, also Leerzeichen, Zeilenenden, usw.) und Kommentare zu überspringen.
Syntaktische Analyse
Die syntaktische Analyse überprüft, ob der eingelesene Quellcode formal richtig ist, d.h. der Syntax (Grammatik) der Quellsprache entspricht. Dabei wird die Eingabe in einen Syntaxbaum umgewandelt. Dieser Teil wird auch als Parser bezeichnet.
Semantische Analyse
Die semantische Analyse überprüft die statische Semantik, also "logische Rahmenbedingungen". Zum Beispiel muss eine Variable deklariert worden sein, bevor sie verwendet wird, und Zuweisungen müssen mit ihrem Datentyp kompatibel (verträglich) sein.
Synthesephase (auch "Backend")
Die Synthesephase erzeugt aus dem in der Analysephase erstellten Baum den Programmcode der Zielsprache.
Programmoptimierung
siehe unten.
Codegenerierung
Bei der Codegenerierung wird endgültig aus dem Syntaxbaum der Programmcode in der Zielsprache erzeugt. Falls die Zielsprache die Maschinensprache ist, kann das Ergebnis direkt ein ausführbares Programm sein oder eine so genannte Objektdatei, die durch das Linken mit weiteren Objektdateien zu einer Bibliothek oder einem ausführbaren Programm führt.
Programmoptimierung
Üblicherweise bietet ein Compiler Optionen für verschiedene Optimierungen mit dem Ziel, die Laufzeit oder den Speicherplatzbedarf des Zielprogramms zu verkleinern.
Die Optimierung erfolgt in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Hardware, insbesondere wieviele Register der Prozessor des Computers zur Verfügung stellt.
Einige Optimierungen führen dazu, dass der Compiler Programmkonstrukte in semantisch äquivalente, aber günstigere Konstrukte umwandelt, die keine Entsprechung im Quellcode haben. Eine Folge ist, dass es bei Aktivierung entsprechender Optimierungen kaum noch möglich ist, den Programmablauf mit einem interaktiven Debugger zu verfolgen.
Im Folgenden betrachten wir einige Optimierungsmöglichkeiten eines Compilers. Dabei handelt es sich naturgemäß nur um Feinabstimmung an einem bestehenden Programm. "Optimierung" bedeutet auch nicht, dass das Programm danach in irgendeiner Weise optimal wäre, nur besser. Es ist auch möglich, dass das Programm nachher "totoptimiert" ist, also die Optimierung über das Ziel soweit hinausgeschossen ist, dass das Programm effektiv langsamer ausgeführt wird. Viele Optimierungen moderner Compiler sind solche Abwägungen zwischen dem, was möglich ist, und dem, was sinnvoll ist. Die Grenze zwischen beiden ist meist nicht klar ersichtlich und muss durch Tests herausgefunden werden.
Es sollte nicht vergessen werden, dass das größte Optimierungspotenzial oft darin besteht, den Algorithmus selbst zu verändern bzw. durch einen besseren zu ersetzen. Dieser Vorgang kann nicht automatisiert werden, sondern muß durch den Programmierer erfolgen.
Reduzierung von Assemblerinstruktionen
Wenn man zum Beispiel in einer höheren Programmiersprache den Inhalt von 2 Variablen vertauscht, dann benötigt man eine Hilfsvariable:
|
Assembler ohne Optimierung | Assembler mit Optimierung | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| t = a |
|
a --> Register 1 | ||||
| a = b |
|
b --> Register 2 | ||||
| b = t |
|
| ||||
Mit Optimierung benötigt man nur 4 Assemblerbefehle anstatt 6, außerdem wird der Speicherplatz für die Hilfsvariable t nicht gebraucht. D.h. diese Vertauschung wird schneller ausgeführt und benötigt weniger Hauptspeicher.
Formelauswertung bereits bei der Kompilierung
Die Berechnung des Kreisumfangs mittels
pi = 3.14
u = 2 * pi * r
optimiert der Compiler zu "u = 6.28 * r". Die Multiplikation "2 * pi" wird während der Übersetzung ausgeführt und reduziert so die Laufzeit.
Elimination toten Programmcodes
Wenn der Compiler erkennen kann, dass ein Teil des Programmes niemals durchlaufen wird, dann kann er diesen Teil bei der Übersetzung weglassen.
Beispiel: ...
goto 900
200 k=3
900 i=7
...
Wenn in diesem Programm niemals ein GOTO auf das Label 200 erfolgt, dann kann auf die Anweisung "200 k=3" verzichtet werden.
Erkennung von nicht benötigten Variablen
Wird eine Variable nicht benötigt, dann wird sie auch nicht berechnet.
Beispiel: subroutine test (a,b)
b = 2 * a
c = 3.14 * b
return
Hier wird die Variable c nicht benötigt: Sie steht nicht in der Parameterliste, wird in späteren Berechnungen nicht verwendet und wird auch nicht ausgegeben. Deshalb entfällt die Anweisung "c = 3.14 * b".
Optimierung von Schleifen
Insbesondere Schleifen versucht man zu optimieren, indem man z.B.:
- möglichst viele Variablen in Registern hält (z.B. die Schleifenvariable)
- Berechnungen innerhalb der Schleife, die in jedem Durchlauf das selbe ergeben, nur einmal berechnet
- die Schleife komplett auflöst (englisch loop unrolling), falls die Anzahl der Schleifendurchläufe konstant ist. Die Anweisungen innerhalb der Schleife werden dann sequentiell (hintereinander) ausgeführt ohne Verwendung einer Schleife.
Reduzierung von Paging zur Laufzeit
Zusammenhängender Code - z. B. eine Schleife - sollte zur Laufzeit möglichst auf der gleichen "Seite" (zusammenhängend vom Betriebssystem verwalteter Speicherblock) im Hauptspeicher liegen. Dies kann man evtl. dadurch erreichen, dass man dem Programmcode geeignete Leeranweisungen ("NOPs" - No OPeration) hinzufügt. Dadurch wird der Programmcode zwar größer, aber wegen des reduzierten Pagings wird das Programm schneller ausgeführt.
Bedeutende Compiler
oder auch viele andere, die zusammen mit IDEs ausgeliefert werden (Visual Basic, Delphi etc.)...