2. Среды программирования

2.1. Компоненты среды программирования

Редактор – это инструментальное средство для создания и

изменения исходных символьных файлов,

написанных на языке программирования.

Компилятор – транслирует символы из исходного файла в

объектный модуль, который содержит команды в

машинном коде для конкретного компьютера.

Библиотекарь – поддерживает совокупности объектных

файлов, называемые библиотеками.

Компоновщик, или редактор связи – собирает объектные

файлы программы и разрешает внешние ссылки

между компонентами программы, формируя

исполняемый файл.

Загрузчик – копирует исполняемый файл с диска в память и

инициализирует компьютер перед выполнением

программы.

Отладчик – инструментальное средство, которое

представляет возможность программисту

управлять выполнением программы по

диагностике ошибок.

Профилировщик – измеряет время, затрачиваемое на каждый

компонент программы.

Средства тестирования автоматизируют процесс

тестирования программ и анализируют результаты

тестирования.

Средства конфигурирования автоматизируют создание

программ и отслеживают изменения в них до

уровня исходных файлов.

Интерпретатор непосредственно выполняет исходный код

программы, без создания объектного файла.

2.2 Транслятор

Процесс преобразования исходного модуля в загрузочный и выполнение его на ЭВМ можно представить в виде схемы:

ИМ (исходный модуль) – исходный текст программы, написанный на конкретном языке программирования (ЯП).

Транслятор – программа, предназначенная для перевода исходного модуля (ИМ) в загрузочный (ЗМ).

ОМ (объектный модуль) – программа в машинных кодах, подготовленная для обработки блоком 4.

Компоновщик (редактор связи) – специальная программа, устанавливающая все внешние ссылки на другие модули и создающая ЗМ. Если ОМ содержит неразрешимые ссылки, то процесс образования ЗМ прекращается.

ЗМ (загрузочный модуль) – программа в машинных кодах, определяющая последовательность выполнения команд на ЭВМ, готовая к выполнению.

Загрузчик устанавливает абсолютные адреса в оперативной памяти (ОП) ЭВМ.

Загрузочный модуль (ЗМ) будет выполняться только после прохождения программ пользователя всех шести этапов (блоков) процесса трансляцию

Трансляторы бывают двух типов: компиляторы (англ.:compiler) и интеграторы.

2.3. Компиляторы

Структура компилятора показана на рис.

Во входной части компилятора анализируется синтаксис и семантика программы согласно правилам языка. Синтаксический анализатор преобразует последовательности символов в абстрактные синтаксические объекты, называемые лексемами. Например, символ '' = '' в языке С преобразуется в оператор присваивания. Если за ним следует еще символ '' = '', т.е. '' = = '', то оба символа '' = = '' преобразуются в операцию проверки равенства. Анализатор семантики придает смысл этим абстрактным объектам. Например, в фрагменте программы семантический анализатор выделит глобальный адрес для первого i и вычислит смещение для второго i:

static int i

void proc ( int i ) {…}

Завершается работа входной части компилятора формированием промежуточного представления программы. По нему можно восстановить исходный текст программы, за исключением имен идентификаторов и физического формата строк: пробелов, комментариев и т. д.

Входная часть компилятора принимает промежуточное представление программы и генерирует машинный код для конкретного компьютера. Таким образом, входная часть является языковозависимой, а выходная – машинозависимой.

Для улучшения эффективности кода выходная часть компилятора содержит два оптимизатора. Первый предназначен для оптимизации промежуточного представления программы до формирования, второй при генерации объектного кода. Рассмотрим три способа оптимизации:

1.Машинозависимую оптимизацию промежуточного представления продемонстрируем на примере оптимизации выражения:

a= b (x+y)+c (x+y)

Сумма (x+y) вычисляется один раз и сохраняется во временной переменной или регистре. Подобная оптимизация не зависит от конкретного компьютера и может быть выполнена до генерации кода.

2.Машинно-ориентированная компиляция основана на специфике архитектуры компьютера. Например, для хранения промежуточных результатов в регистрах, а не в памяти, следует знать их число и тип, которые различны в различных компьютерах, точнее, процессорах.

3.Локальная оптимизация обычно выполняется как до, так и при генерации объектного кода. Ее основная функция – это замена коротких последовательностей команд на одну. Например в С выражение n++ может быть скомпилировано в последовательность команд:

load R1,n - Загрузить содержимое n в R1

add R1,# 1 - Прибавить к содержимому R1, 1 (ед.)

store R1,n - Сохранить содержимое R1 в n

Локальный оптимизатор мог бы заменить эти три команды одной: inter n.

Использование оптимизатора требует осторожности.

Ошибку оптимизатора трудно обнаружить, потому что отладчик создан для работы с исходным текстом, а не с оптимизированным объектным кодом, в котором изменен порядок выполнения команд. Для избежания ошибки необходимо проводить тестирование программы до и после работы оптимизатора. Например, в фрагменте программы для устройства ввода-вывода с регистрами, отображенными на память,

transmit_ register = 0x70

/* Ждать 1 секунду */

transmit_ register = 0x70

оптимизатор может удалить второе присваивание, предположив, что оно лишнее.

Так как конечным результатом работы компилятора является объектный модуль, то целесообразно, чтобы он был составлен в кодах конкретной машины. Однако такой подход имеет существенный недостаток – объектный модуль становится машинно-зависимым, и для каждого типа ЭВМ требуется свой компилятор. Чтобы не выполнять большую рутинную работу по преобразованию старого компилятора, было принято решение о разделении процесса компиляции на две части: команды для абстрактной (виртуальной) и конкретной ЭВМ. В этом случае схема компиляции выглядит так:

Рис. Схема двухуровневой компиляции

На первом уровне (блок 2) ИМ обрабатывается компилятором, транслирующим исходный текст на ЯВУ в объектный модуль в кодах некоторой виртуальной (абстрактной ) ЗВМ, учитывающей архитектуру конкретных классов процессоров (блок 3 ).

На втором этапе (блок 4 ) производится перевод ОМ в командах абстрактной ЭВМ (блок 3) в ОМ для конкретной ЭВМ (блок 5). Команды абстрактной машины (блок 3) машино - независимые и могут быть использованы на ЭВМ различных типов. Как правило, выходной ОМ (блок 5) формируется простым компилятором на языке ассемблера (англ. assembler – собирать) конкретной ЭВМ.

2.4. Библиотекарь

Библиотека – это структурированная совокупность типов и подпрограмм, не содержащая новых языковых конструкций.

Многие конструкции языка программирования реализуются не с помощью откомпилированного кода, выполняемого внутри программы, а через обращения к процедурам, которые хранятся в библиотеке, предусмотренной поставщиком компилятора. Из-за увеличения объема языков программирования библиотеки становятся их неотъемлемой частью.

Пр. Использование библиотеки ввода-вывода, которая в С++

находится в файле iostream.h или iostream.

# include < iostream.h>

include – директива препроцессора, которая выполняется в

первую очередь.

2.5. Компоновщик

При написании больших программных систем в несколько тысяч строк используется модульный подход. Вся программа разбивается на модули, связь между которыми осуществляется через обращения к заранее оговоренным процедурам. Если обращение делается к процедуре, находящейся вне текущего модуля, то компилятор вместо адреса этой процедуры записывает внешнюю ссылку. Когда все модули откомпилированы, компоновщик разрешает эти ссылки, разыскивая описания процедур и нелокальных переменных.

В современной практике модульное программирование используется для декомпиляции программы. Применение такого подхода имеет как и медаль две стороны. Положительный эффект (лицевая сторона) – быстрая и короткая компиляция. Обратная сторона медали – связь компоновщиком сотни модулей с тысячами ссылок. В этом случае даже незначительное изменение одного исходного модуля потребует продолжительной компоновки.