Neuveriteľne komplikované programy, ktoré akceptujú iné ako vstup a generujú výstup binárneho spustiteľného súboru objektov?

Vytvorenie programu, ktorý akceptuje ďalší program ako vstup a generuje binárny spustiteľný ako výstup, je zložitá úloha, ktorá zahŕňa niekoľko sofistikovaných oblastí informatiky. Neexistujú jediné, ľahko dostupné programy, ktoré to robia všeobecne navyše, pretože proces silne závisí od jazyka vstupného programu, cieľovej architektúry a požadovanej funkcie. Namiesto toho je to zbierka nástrojov a techník. Tu je zrútenie neuveriteľne komplikovaných aspektov, ktoré sa zúčastnili:

1. Analýza a analýza zdrojového kódu:

* jazyk špecifické analýzy: Vstupný program by mohol byť napísaný v akomkoľvek jazyku (C, C ++, Java, Python, Rust atď.). Každý jazyk má svoju vlastnú syntax a sémantiku, ktorá vyžaduje špecializovaného analyzátora, aby pochopil štruktúru kódu. Zahŕňa to lexikálnu analýzu (rozdelenie kódu na tokeny), analýzu syntaxe (vytvorenie analytického stromu) a sémantickú analýzu (pochopenie významu kódu). Robustné analýzy je rozhodujúce pre spracovanie zložitých štruktúr kódov vrátane makier, šablón a podmienenej kompilácie.

* Abstrakt Syntax Tree (AST) Generácia: Paráre zvyčajne generujú AST, stromovú reprezentáciu štruktúry programu. Táto AST je kľúčové medziprodukčné zastúpenie používané v nasledujúcich krokoch.

* Analýza toku a toku údajov: Pochopenie riadiaceho toku programu (spôsob, akým vykonávanie preskočí medzi rôznymi časťami kódu) a tokom údajov (spôsob, akým sa údaje používajú a upravujú), je nevyhnutné na optimalizáciu a generovanie kódu. Zahŕňa to algoritmy, ako je dosiahnutie definícií, živá premenná analýza a grafy riadenia toku.

2. Generovanie medziproduktu (IR):

* preklad do spoločného IR: AST sa často prekladá do stredného zastúpenia na nižšej úrovni. Medzi bežné IRS patrí LLVM IR, kód s tromi addressmi alebo vlastné IRS. IR poskytuje reprezentáciu nezávislú od platformy, ktorá uľahčuje vykonávanie optimalizácií a zacieľuje na rôzne architektúry.

3. Optimalizácia:

* Optimalizácie na vysokej úrovni: Tieto optimalizácie fungujú na IR a zameriavajú sa na zlepšenie výkonu programu bez zmeny jeho sémantiky. Príklady zahŕňajú konštantné skladanie, odstránenie mŕtveho kódu, inlinovanie, rozrušenie slučky a rôzne formy pohybu kódu.

* Optimalizácie na nízkej úrovni: Tieto sa zameriavajú na generovanie efektívnejšieho strojového kódu. Techniky zahŕňajú prideľovanie registrov, plánovanie inštrukcií a zhutnenie kódu.

4. Generovanie kódu:

* Generovanie kódu špecifického pre cieľ: Optimalizovaný IR sa potom preloží do strojového kódu špecifického pre cieľovú architektúru (x86, ARM, RISC-V atď.). Zahŕňa to mapovanie pokynov IR na pokyny stroja, manipuláciu s registrami a správu pamäte.

* Linker Integrácia: Vygenerovaný strojový kód sa zvyčajne zostavuje do súborov objektov, ktoré sú potom prepojené spolu s inými súbormi objektov (napríklad štandardných knižníc) na vytvorenie konečného spustiteľného súboru. Linker rieši symboly, spracováva premiestnenie a vytvorí konečný spustiteľný súbor.

5. Nástroje a rámce kompilátorov:

* Lexers and Parsers Generátory: Nástroje ako Lex/Flex a YACC/Bison sa používajú na automatizáciu tvorby lexerov a analyzátorov.

* llvm kompilátorová infraštruktúra: LLVM poskytuje komplexný rámec pre stavebné kompilátory vrátane IR, optimalizátora a generátorov kódu pre rôzne architektúry.

Príklady zložitých scenárov:

* Zostavte program, ktorý používa dynamické prepojenie: Vyžaduje si to riešenie zložitosti zdieľaných knižníc a prepojenia runtime.

* Zostavte program, ktorý používa kompiláciu Just-in-Time (JIT): Zahŕňa to generovanie kódu za behu a vyžaduje sofistikovanú správu runtime.

* Zostavte program, ktorý používa súbežnosť (vlákna alebo procesy): Vyžaduje si to starostlivé zaobchádzanie s synchronizačnými primitívami a problémami so súbežnosťou.

* Krížová kompilácia: Zostavenie programu pre inú architektúru, ako je ten, na ktorom kompilátor beží.

Stručne povedané, budovanie systému, ktorý prijíma ľubovoľný program ako vstup a generuje binárny spustiteľný spôsob, je monumentálnym záväzkom, ktorý si vyžaduje odborné znalosti v oblasti dizajnu kompilátorov, teórie programovania jazykov a počítačovej architektúry. Existujúci kompilátory ako GCC a Clang sú už neuveriteľne zložité príklady a sú vysoko špecializovaní pre svoje podporované jazyky a architektúry. Vytvorenie skutočne univerzálnej verzie by bolo obrovským výskumným projektom.

• Predchádzajúca strana: Čo je jednotka dekódovania inštrukcií? 
• Ďalšia strana: Ako môžem pridať novú jazykovú klávesnicu?