Các giai đoạn của trình biên dịch với ví dụ: Các bước & quy trình biên dịch

Tất cả các giai đoạn này chuyển đổi mã nguồn bằng cách chia thành các mã thông báo, tạo cây phân tích cú pháp và tối ưu hóa mã nguồn theo các giai đoạn khác nhau.

Giai đoạn 1: Phân tích từ vựng

Phân tích từ vựng là giai đoạn đầu tiên khi trình biên dịch quét mã nguồn. Quá trình này có thể từ trái sang phải, từng ký tự và nhóm các ký tự này thành các mã thông báo.
Ở đây, dòng ký tự từ chương trình nguồn được nhóm thành các chuỗi có ý nghĩa bằng cách xác định các mã thông báo. Nó thực hiện việc nhập các vé tương ứng vào bảng ký hiệu và chuyển mã thông báo đó sang giai đoạn tiếp theo.
Các chức năng chính của giai đoạn này là:

• Xác định các đơn vị từ vựng trong mã nguồn
• Phân loại các đơn vị từ vựng thành các lớp như hằng số, từ dành riêng và nhập chúng vào các bảng khác nhau. Nó sẽ bỏ qua các bình luận trong chương trình nguồn
• Xác định mã thông báo không phải là một phần của ngôn ngữ

Ví dụ:
x = y + 10

Tokens

X	định danh
=	Toán tử chuyển nhượng
Y	định danh
+	Toán tử bổ sung
10	Con số

Giai đoạn 2: Phân tích cú pháp

Phân tích cú pháp là về việc khám phá cấu trúc trong mã. Nó xác định xem văn bản có tuân theo định dạng mong đợi hay không. Mục đích chính của giai đoạn này là đảm bảo rằng mã nguồn được lập trình viên viết có chính xác hay không.
Phân tích cú pháp dựa trên các quy tắc dựa trên ngôn ngữ lập trình cụ thể bằng cách xây dựng cây phân tích cú pháp với sự trợ giúp của mã thông báo. Nó cũng xác định cấu trúc của ngôn ngữ nguồn và ngữ pháp hoặc cú pháp của ngôn ngữ.
Dưới đây là danh sách các nhiệm vụ được thực hiện trong giai đoạn này:

• Nhận mã thông báo từ máy phân tích từ vựng
• Kiểm tra xem biểu thức có đúng về mặt cú pháp hay không
• Báo cáo tất cả các lỗi cú pháp
• Xây dựng một cấu trúc phân cấp được gọi là cây phân tích cú pháp

Ví dụ

Bất kỳ mã định danh/số nào đều là một biểu thức
Nếu x là một mã định danh và y+10 là một biểu thức thì x= y+10 là một câu lệnh.
Hãy xem xét cây phân tích cú pháp cho ví dụ sau

(a+b)*c

Trong cây phân tích

• Nút bên trong: bản ghi có một toán tử được lưu trữ và hai tệp dành cho trẻ em
• Lá: bản ghi có 2 trường trở lên; một cho mã thông báo và thông tin khác về mã thông báo
• Đảm bảo rằng các thành phần của chương trình khớp với nhau một cách có ý nghĩa
• Thu thập thông tin về loại và kiểm tra tính tương thích của loại
• Toán hạng kiểm tra được cho phép bởi ngôn ngữ nguồn

Giai đoạn 3: Phân tích ngữ nghĩa

Phân tích ngữ nghĩa kiểm tra tính nhất quán ngữ nghĩa của mã. Nó sử dụng cây cú pháp của giai đoạn trước cùng với bảng ký hiệu để xác minh rằng mã nguồn đã cho có nhất quán về mặt ngữ nghĩa hay không. Nó cũng kiểm tra xem mã có truyền tải ý nghĩa phù hợp hay không.
Trình phân tích ngữ nghĩa sẽ kiểm tra các loại không khớp, toán hạng không tương thích, hàm được gọi với đối số không đúng, biến không được khai báo, v.v.
Chức năng của giai đoạn phân tích ngữ nghĩa là:

• Giúp bạn lưu trữ thông tin loại đã thu thập và lưu nó vào bảng ký hiệu hoặc cây cú pháp
• Cho phép bạn thực hiện kiểm tra loại
• Trong trường hợp loại không khớp, khi không có quy tắc sửa loại chính xác thỏa mãn thao tác mong muốn, một lỗi ngữ nghĩa sẽ được hiển thị
• Thu thập thông tin về loại và kiểm tra tính tương thích của loại
• Kiểm tra xem ngôn ngữ nguồn có cho phép toán hạng hay không

Ví dụ

float x = 20.2;
float y = x*30;

Trong đoạn mã trên, bộ phân tích ngữ nghĩa sẽ đánh máy số nguyên 30 thành float 30.0 trước khi nhân

Giai đoạn 4: Tạo mã trung gian

Khi giai đoạn phân tích ngữ nghĩa kết thúc, trình biên dịch sẽ tạo mã trung gian cho máy đích. Nó đại diện cho một chương trình cho một số máy trừu tượng.
Mã trung gian nằm giữa ngôn ngữ cấp cao và ngôn ngữ cấp máy. Mã trung gian này cần được tạo theo cách sao cho dễ dàng chuyển nó sang mã máy đích.
Chức năng tạo Mã trung gian:

• Nó phải được tạo ra từ biểu diễn ngữ nghĩa của chương trình nguồn
• Giữ các giá trị được tính toán trong quá trình dịch thuật
• Giúp bạn dịch mã trung gian sang ngôn ngữ đích
• Cho phép bạn duy trì thứ tự ưu tiên của ngôn ngữ nguồn
• Nó giữ đúng số toán hạng của lệnh

Ví dụ

Ví dụ,

total = count + rate * 5

Mã trung gian với sự trợ giúp của phương pháp mã địa chỉ là:

 
t1 := int_to_float(5) 
t2 := rate * t1 
t3 := count + t2
total := t3

Giai đoạn 5: Tối ưu hóa mã

Giai đoạn tiếp theo là tối ưu hóa mã hoặc mã trung gian. Giai đoạn này loại bỏ những dòng mã không cần thiết và sắp xếp chuỗi câu lệnh để tăng tốc độ thực thi chương trình mà không lãng phí tài nguyên. Mục tiêu chính của giai đoạn này là cải thiện mã trung gian để tạo mã chạy nhanh hơn và chiếm ít không gian hơn.
Các chức năng chính của giai đoạn này là:

• Nó giúp bạn thiết lập sự cân bằng giữa tốc độ thực thi và biên dịch
• Cải thiện thời gian chạy của chương trình mục tiêu
• Tạo mã hợp lý vẫn ở dạng biểu diễn trung gian
• Xóa mã không thể truy cập và loại bỏ các biến không sử dụng
• Xóa các câu lệnh không bị thay đổi khỏi vòng lặp

Ví dụ:
Hãy xem xét đoạn mã sau

a = intofloat(10)
b = c * a
d = e + b
f = d

Có thể trở thành

b =c * 10.0
f = e+b

Giai đoạn 6: Tạo mã

Tạo mã là giai đoạn cuối cùng và cuối cùng của trình biên dịch. Nó nhận đầu vào từ các giai đoạn tối ưu hóa mã và kết quả là tạo ra mã trang hoặc mã đối tượng. Mục tiêu của giai đoạn này là phân bổ dung lượng lưu trữ và tạo mã máy có thể định vị lại.
Nó cũng phân bổ vị trí bộ nhớ cho biến. Các lệnh trong mã trung gian được chuyển thành lệnh máy. Giai đoạn này chuyển mã tối ưu hóa hoặc mã trung gian sang ngôn ngữ đích.
Ngôn ngữ đích là mã máy. Do đó, tất cả các vị trí bộ nhớ và các thanh ghi cũng được chọn và phân bổ trong giai đoạn này. Mã được tạo bởi giai đoạn này được thực thi để lấy đầu vào và tạo ra đầu ra dự kiến.

Ví dụ

a = b + 60.0
Có thể sẽ được dịch sang sổ đăng ký.

MOVF a, R1
MULF #60.0, R2
ADDF R1, R2

Quản lý bảng biểu tượng

Bảng ký hiệu chứa bản ghi cho mỗi mã định danh cùng với các trường dành cho thuộc tính của mã định danh. Thành phần này giúp trình biên dịch dễ dàng tìm kiếm bản ghi định danh và truy xuất nó một cách nhanh chóng. Bảng ký hiệu cũng giúp bạn quản lý phạm vi. Bảng ký hiệu và trình xử lý lỗi tương tác với tất cả các giai đoạn và cập nhật bảng ký hiệu tương ứng.

Quy trình xử lý lỗi

Trong quá trình thiết kế trình biên dịch, lỗi có thể xảy ra ở tất cả các giai đoạn được đưa ra dưới đây:

• Trình phân tích từ vựng: Mã thông báo viết sai chính tả
• Trình phân tích cú pháp: Thiếu dấu ngoặc đơn
• Trình tạo mã trung gian: Các toán hạng không khớp cho một toán tử
• Trình tối ưu hóa mã: Khi không thể truy cập được câu lệnh
• Mã Generator: Khi bộ nhớ đầy hoặc các thanh ghi thích hợp không được phân bổ
• Bảng ký hiệu: Lỗi khai báo nhiều định danh

Các lỗi phổ biến nhất là chuỗi ký tự không hợp lệ khi quét, chuỗi mã thông báo không hợp lệ về loại, lỗi phạm vi và phân tích cú pháp trong phân tích ngữ nghĩa.
Lỗi có thể gặp phải ở bất kỳ giai đoạn nào ở trên. Sau khi tìm ra lỗi, giai đoạn cần xử lý các lỗi để tiếp tục quá trình biên dịch. Những lỗi này cần được báo cáo cho bộ xử lý lỗi để thực hiện quá trình biên dịch. Nói chung, các lỗi được báo cáo dưới dạng tin nhắn.

Tổng kết

• Trình biên dịch hoạt động theo nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn biến đổi chương trình nguồn từ cách biểu diễn này sang cách biểu diễn khác
• Sáu giai đoạn của thiết kế trình biên dịch là 1) Phân tích từ vựng 2) Phân tích cú pháp 3) Phân tích ngữ nghĩa 4) Trình tạo mã trung gian 5) Trình tối ưu hóa mã 6) Mã Generator
• Phân tích từ vựng là giai đoạn đầu tiên khi trình biên dịch quét mã nguồn
• Phân tích cú pháp là khám phá cấu trúc trong văn bản
• Phân tích ngữ nghĩa kiểm tra tính nhất quán ngữ nghĩa của mã
• Sau khi giai đoạn phân tích ngữ nghĩa kết thúc, trình biên dịch sẽ tạo mã trung gian cho máy đích
• Giai đoạn tối ưu hóa mã loại bỏ dòng mã không cần thiết và sắp xếp chuỗi câu lệnh
• Giai đoạn tạo mã nhận đầu vào từ giai đoạn tối ưu hóa mã và tạo ra mã trang hoặc mã đối tượng
• Bảng ký hiệu chứa bản ghi cho mỗi mã định danh với các trường dành cho thuộc tính của mã định danh
• Quy trình xử lý lỗi xử lý lỗi và báo cáo trong nhiều giai đoạn