Ohjelmointikielen kääntäjä

tietokoneohjelma, joka luo tietokoneohjelman kääntämällä lähdekoodista konekielisenä ajettavan binääritiedoston

Ohjelmointikielen kääntäjä on tietokoneohjelma, joka luo tietokoneohjelman ohjelmointikielisen lähdekoodin perusteella konekielisen ajettavan binääritiedoston (eli kääntää ohjelman). Kääntäminen on siis muunnos, jossa ihmiselle helpossa muodossa oleva lähdekoodi muutetaan tietokoneen suorittimen ymmärtämään muotoon.

Joskus ohjelmat käännetään ensin kääntäjällä tavukoodiksi, jonka sitten suorittaa yksinkertainen tulkki. Näin saavutetaan sekä kääntäjän että tulkin etuja. Tyypillisesti tällä tavalla suoritettavia ohjelmointikieliä ovat Java, Python, Ruby ja PHP.

Tavukoodia käytetään myös välivaiheen käännöksenä, jotta eri kielistä saadaan kohdennettua eri laitteille käännettävää alustakohtaista ohjelmakoodia. Vastaavia ovat muun muassa LLVM kääntäjäympäristössä sekä useissa GPGPU-ohjelmointiin suunnatuissa menetelmissä (esim. SPIR-V[1]).

Käännöksen vaiheetMuokkaa

Käännös voidaan jakaa neljään vaiheeseen:[2]

  1. Lähdekoodin merkkijono muutetaan vastaavaan sarjaan symboleita kielen sanastossa. Muun muassa tunnisteet jotka koostuvat kirjaimista ja numeroista, luvut jotka koostuvat numeroista, erotinmerkit ja operaattorit jotka koostuvat erikoismerkeista tunnistetaan tässä vaiheessa.
  2. Symbolien sarja muutetaan esitysmuotoon, joka vastaa vastaa kielen syntaksia.
  3. Ylemmän tason kielissä tunnistetaan tyypit sekä niiden yhteensopivuudet operaattoreiden ja operandien välillä.
  4. Toisen vaiheen esitysmuodosta tuotetaan konekieltä kohteen käskykannalle, joka on usein vaativin osa ja pilkotaan vielä pienempiin vaiheisiin.

Kääntäjän etuosa jaetaan usein selaajaan (engl. scanner, tokenizer, lexer)[3] ja jäsentimeen (engl. parser). Selaaja tunnistaa ohjelmointikielestä alkionimet (engl. token) esimerkiksi säännöllisten lausekkeiden avulla. Jäsennin (myös jäsentäjä) tunnistaa kielen rakenteen vaikkapa sisäkkäisiä rakenteita tunnistavan LR-jäsennystä (left-right, eli läpikäynti vasemmalta oikealle, ymmärtäminen oikealta vasemmalle) käyttäen. Myös LL-jäsennystä käytetään sen yksinkertaisuuden vuoksi, mutta sellaisen avulla ei voida jäsentää kieltä, missä esiintyy nk. vasen rekursio. Esimerkiksi kielioppisääntöön

 A ::= A + B

ei voida soveltaa LL-jäsentäjää, koska se joutuisi ikuiseen rekursiosilmukkaan - aliohjelmakutsut menisivät seuraavaan tapaan:

 ParseA()
    ParseA()
    ParseB()
    # tee jotain A + B:lle

Unix-maailmassa yleisesti käytetyt työkalut ovat LEX ja YACC: LEX tekee sanastollisen analyysin (selaajan) ja YACC lausemuodon analyysin (jäsentimen).[4]

Kolmas käännösvaihe on semanttinen (eli merkityksen) analyysi. Tässä vaiheessa tutkitaan mm. muuttujien ja metodien nimet, tyypit ja niiden käytön oikeellisuus.

Käännöksen optimointiMuokkaa

Pääartikkeli: Ohjelman optimointi

Kääntäjä voi usein suorittaa käännettävän ohjelman optimointia sille sallituissa rajoissa.

C-kielen standardi sallii kääntäjän olettaa ettei käsiteltäviä muuttujia muuteta lataus/tallennus-operaation aikana (kuten lauseen a=b; aikana).[5][6] Muun muassa rinnakkain suoritettavan ohjelmakoodin tapauksessa tämä voi aiheuttaa ongelmia.[6] Kääntäjä voi olettaa ettei tieto muutu sitä käyttävän toistorakenteen aikana, joka voi olla virhetilanne lukituksen vapautumista odottaessa.[7]

StandardifunktiotMuokkaa

Standardifunktiot (engl. intrinsic function)[8] ovat kääntäjän itsensä tarjoamia tai tunnistamia funktioita, jotka sisältävät korkealle optimoidut toteutuksen tietyille yleisille algoritmeille. Esimerkiksi sini- ja kosinifunktiot ovat usein käytettyjä.[8]

Kääntäjässä voi olla toteutuksia alustakohtaisille toiminnoille tietyillä käskykantalaajennuksilla toteutettuna, joita voidaan käyttää ohjelmissa assembly-kielellä tehtyjen rutiinien asemesta kuten SSE-käskykannan hyödyntämisessä. Esimerkiksi Microsoftin ja Intelin C/C++ kääntäjät sekä GCC toteuttavat standardifunktiot, jotka vastaavat suoraan x86-käskykannan SIMD laajennuksia.[9][10]

Kääntäjien tyypitMuokkaa

Ohjelmointikielen kääntäjiä voidaan käyttää samalla alustalla jossa käännettävä ohjelma suoritetaan (natiivi tai isäntäalusta).lähde? Toinen tyyppi on ristiinkääntäjä, jossa kohdealusta voi olla eri kuin käännösympäristön, esimerkiksi sulautettu järjestelmä voi olla suorituskyvyltään liian rajoittunut kääntäjälle.[11][12] Ristiinkääntäjä voi kohdistaa eri suorittimelle tai käyttöjärjestelmälle.[11][13]

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  1. The first open standard intermediate language for parallel compute and graphics Khronos Group. Viitattu 3.3.2017.
  2. Niklaus Wirth: Compiler Construction (PDF) inf.ethz.ch. toukokuu 2017. Viitattu 10.2.2020. (englanniksi)
  3. Farrell, James Alan: Anatomy of a Compiler cs.man.ac.uk. Viitattu 3.3.2017.
  4. Naomi Hamilton: The A-Z of Programming Languages: AWK (sivu 2) 27.5.2008. Computerworld. Viitattu 27.5.2019. (englanniksi)
  5. Who's afraid of a big bad optimizing compiler? lwn.net. 15.7.2019. Viitattu 5.3.2020. (englanniksi)
  6. a b Calibrating your fear of big bad optimizing compilers lwn.net. 11.10.2019. Viitattu 5.3.2020. (englanniksi) 
  7. Jonathan Corbet: ACCESS_ONCE() lwn.net. 1.8.2012. Viitattu 5.3.2020. (englanniksi) 
  8. a b Haataja, Juha & Rahola, Jussi & Ruokolainen, Juha: Fortran 95 / 2003 Tieteen tietotekniikan keskus (CSC). Viitattu 16.3.2017.
  9. Compiler Intrinsics Microsoft. Viitattu 16.3.2017.
  10. Built-in Functions Specific to Particular Target Machines GNU. Viitattu 16.3.2017.
  11. a b How to Build a GCC Cross-Compiler preshing.com. 19.11.2014. Viitattu 10.2.2020. (englanniksi)
  12. Building GCC as a cross compiler for Raspberry Pi solarianprogrammer.com. Viitattu 11.2.2020. (englanniksi)
  13. Cross Compiling (PDF) disi.unitn.it. Viitattu 11.2.2020. (englanniksi)

Aiheesta muuallaMuokkaa

KirjallisuuttaMuokkaa

  • Aho, Alfred V. & Ullman, Jeffrey D.: Principles of Compiler Design. Addison-Wesley, 1977. ISBN 0-201-00022-9.