3. Системы программирования
Интерпретаторы проводят анализ текста программы построчно и после нажатия Enter (переход к новой строке) сообщают об ошибке. Это огромное достоинство интерпретаторов, так как программисту не нужно пытаться найти ошибку во всём тексте программы. Минус — программы выполняются медленнее.
Компиляторы переводят всю написанную программу полностью. Плюс — быстрее скорость выполнения, минус — в случае ошибки приходится находить проблему вручную.
Программы разрабатывают на языках программирования.
Язык программирования — формальный язык, который предназначен для разработки программ.
Первые языки программирования были машинно-ориентированные, после создания языков высокого уровня их стали делить по области применения.
Классификация языков программирования
| Языки для обучения программированию | Бейсик, Pascal, Logo, Python, КуМир |
| Языки для написания интернет-сайтов | PHP, JavaScript, Python |
| Профессиональные языки | Java, C, C\(++\), C#, Delphi, Lazarus |
Любая система программирования имеет ряд динамически подключаемых библиотек. Разберём использование модулей, входящих в библиотеки в двух самых распространённых языках программирования: PascalABC и Python.
PascalABC
| Название (как вызвать) | Назначение |
| Uses crt | Позволяет открывать выполнение программы в новом окне |
| Uses GraphABC | Позволяет работать с графикой |
Python
| Название (как вызвать) | Назначение |
| import math | Подключает дополнительные возможности — использование математических функций: sqrt, abc, sin, cos и др. |
| from fractions import Fraction | Поддерживает работу с рациональными числами |
Что такое компилятор
В этом гайде вы узнаете о том, что такое компилятор и как он работает. Мы разберем этапы компиляции и от чего зависит выбор подходящего компилятора. Этот материал поможет лучше понять, как компьютер выполняет программный код и почему иногда код не компилируется.
- Зачем нужен компилятор?
- Как работает компилятор?
- На чем написан компилятор?
- Какие бывают компиляторы?
- Какие ошибки может определить компилятор?
- Выводы и рекомендации
- Частые вопросы
- Дополнительные материалы
Зачем нужен компилятор?
Процессор — самая важная часть компьютера. Он обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и следит за работой всех подключенных устройств. Но процессор может разобрать только машинный код — набор 0 и 1, которые записаны в определённом порядке.
Почему именно 0 и 1? В процессор поступают электрические сигналы. Сильный сигнал обозначается цифрой 1, а слабый — 0. Набор таких цифр обозначает какую-то команду. Процессор ее распознает и выполняет.
Программы для первых компьютеров выглядели как огромные наборы 0 и 1. Чтобы записать такую программу, инженеры пользовались гибкими картонными карточками — перфокартами. Цифры на перфокарте записывались поочередно, в несколько строк. Чтобы записать 1, программист делал отверстие в карте. Места без отверстия обозначали 0.
Компьютер считывал перфокарту специальным устройством и выполнял записанную команду. Для одной программы составляли сотни перфокарт.
Писать их было долго и сложно, поэтому инженеры стали создавать языки программирования, обозначая команды словами и знаками. Для того, чтобы процессор понимал, какие команды записаны в программе, программисты создали компилятор — программу, которая преобразует программный код в машинный.
Как работает компилятор?
Преобразование программного кода в машинный называется компиляцией. Компиляция только преобразует код. Она не запускает его на исполнение. В этот момент он «статически» (то есть без запуска) транслируется в машинный код. Это сложный процесс, в котором сначала текст программы разбирается на части и анализируется, а затем генерируется код, понятный процессору.
Разберём этапы компиляции на примере вычисления периметра прямоугольника:
#include int main() double a =2.5, b =5, P ; P = 2 * (a + b ); printf("Width of the rectangle - %4.1f", a );// => Width of the rectangle - 2.5 printf("\nLength of the rectangle - %4.1f", b );// => Length of the rectangle - 5.0 printf("\nPerimeter of the rectangle is %4.1f", P );// => Perimeter of the rectangle is 15.0 return 0; > После запуска программы компилятору нужно определить, какие команды в ней записаны. Сначала компилятор разделяет программу на слова и знаки — токены, и записывает их в список. Такой процесс называется лексическим анализом. Его главная задача — получить токены.
# include int main ( ) Затем компилятор читает список и ищет токен-операторы. Это могут быть оператор присваивания( = ), арифметические операторы( + , — , * , / ), оператор вывода( printf() ) и другие операторы языка программирования. Такие операторы работают с числами, текстом и переменными.
Компилятор должен понять, какие токены в списке связаны с токен-оператором. Чтобы сделать это правильно, для каждого оператора строится специальная структура — логическое дерево или дерево разбора.
Так операция P = 2*(a + b) будет преобразована в логическое дерево:
Теперь каждое дерево нужно разобрать на команды, и каждую команду преобразовать в машинный код. Компилятор начинает читать дерево снизу вверх и составляет список команд:
- Взять переменную a , взять переменную b , сложить их
- Взять результат сложения, взять число 2 и найти их произведение
- Результат произведения присвоить (записать) в переменную P
Компилятор еще раз проверяет команды, находит ошибки и старается улучшить код. При успешном завершении этого этапа, компилятор переводит каждую команду в набор 0 и 1. Наборы записываются в файл, который сможет прочитать и выполнить процессор.
10111011 00010001 00000001 10111001 00001101 00000000 10110100 00001110 10001010 00000111 01000011 11001101 00010000 11100010 11111001 11001101 00100000 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101100 00100000 01010111 01101111 01110010 01101100 01100100 00100001 На чем написан компилятор?
В 1950-е годы группа разработчиков IBM под руководством Джона Бэкуса разработала первый высокоуровневый язык программирования Fortran, который позволил писать программы на понятном человеку языке. Помимо языка, инженеры работали и над компилятором. Он представлял собой программу с набором исполняемых команд, которая могла компилировать другие программы на Fortran, в том числе и улучшенную версию себя.
В дальнейшем язык Fortran и его компилятор использовали, чтобы написать компиляторы для новых языков программирования. Такой подход используют программисты и в настоящее время. Писать машинный код долго и неудобно. К тому же, для современных процессоров он может отличаться. Придется писать несколько версий одного и того же компилятора для разных компьютеров. Быстрее и проще написать компилятор на существующем языке программирования. Для этого разработчики выбирают удобный язык и пишут на нем первую версию своего компилятора. Он будет более универсальным для компьютеров и легко скомпилирует улучшенную версию себя.
Какие бывают компиляторы?
Ни один компилируемый язык программирования не обходится без компилятора. Некоторые компиляторы работают с несколькими языками программирования. Но программист должен учитывать еще и параметры компьютера, на котором программа будет запускаться.
Дело в том, что современные процессоры отличаются друг от друга устройством, поэтому машинный код для одного процессора будет понятен, а для другого нет. Это касается и операционных систем: одна и та же программа будет работать на Windows, но не запустится на Linux или MacOS. Поэтому нужно пользоваться тем компилятором, который работает с нужным процессором и операционной системой.
Если программа будет работать на нескольких операционных системах, то нужен кросс-компилятор — компилятор, который преобразует универсальный машинный код. Например, GNU Compiler Collection(сокращенно GCC) поддерживает C++, Objective-C, Java, Фортран, Ada, Go и поддерживает разную архитектуру процессоров.
Начинающие программисты даже не знают о наличии компилятора на компьютере. Они пишут программы в интегрированной среде разработки, в которую встроен компилятор, а иногда и не один. В этом случае, выбор компилятора делает среда, а не программист. Например, MS Visual Studio поддерживает компиляторы для операционных систем Windows, Linux, Android. Выбирая тип проекта, Visual Studio определяет процессор и операционную систему компьютера, и после этого выбирает подходящий компилятор.
Какие ошибки может определить компилятор?
Когда компилятор анализирует текст программы, он проверяет, соответствует ли запись оператора стандартам языка. Если найдено несоответствие, то компилятор выводит об этом информацию пользователю в виде ошибки. Когда вся программа разобрана, пользователь видит список ошибок, которые есть в коде, и может их исправить. Пока программист не исправит ошибки, компилятор не перейдет к следующему этапу — генерации машинного кода для процессора. Чаще всего компилятор показывает пользователю:
- ошибки объявления переменных или отсутствие их начальных значений
- ошибки несоответствия типов
- ошибки неправильной записи операторов и функций
Иногда компилятор определяет код, который при выполнении дает неправильный результат. Но преобразовать такую программу в машинный код все-таки можно. В этом случае компилятор показывает пользователю предупреждение. Такая реакция компилятора больше похожа на рекомендации, но на них стоит обратить внимание. Программист сам решает оставить код с предупреждением или изменить программу. Анализируя текст программы, компилятор не только ищет ошибки, но еще и упрощает ее код. Такой процесс называется оптимизацией. Во время оптимизации компилятор изменяет программный код, но функции, которые выполняла программа, остаются прежними.
Выводы и рекомендации
Компилятор — переводчик между программистом и процессором. Он преобразует текст программы в машинный код, определяет ряд ошибок в программе и оптимизирует ее работу. Выбирая, где компилировать программу, важно помнить о том, что машинный код для процессоров и операционных систем будет разным, и подобрать правильный компилятор. Чем точнее компилятор определит команды, тем корректнее и быстрее будет работать программа. Для этого следуйте простым рекомендациям:
- использовать простые, понятные команды;
- помнить о соответствии типов данных;
- внимательно набирать код, избегая синтаксических ошибок;
- избегать повторяющихся действий и бесполезных переменных.
Частые вопросы
Чем компилятор отличается от интерпретатора?
Компилятор это программа, которая выполняет преобразование текста программы в другое представление, обычно машинный код, без его запуска, статически. Затем эта программа уже может быть запущена на выполнение. Интерпретатор сразу запускает код и выполняет его в процессе чтения. Промежуточного этапа как в компиляции нет.
Дополнительные материалы
- Компилятор
- ARM против x86: В чем разница между двумя архитектурами процессоров?
Что такое ассемблер и нужно ли его изучать
Этому языку уже за 70, но на пенсию он пока не собирается.
Полина Суворова для Skillbox Media
Марина Демидова
Программист, консультант, специалист по документированию. Легко и доступно рассказывает о сложных вещах в программировании и дизайне.
Есть традиция начинать изучение программирования с вывода на экран строки «Hello world!». На языке Python, например, это всего одна команда:
Стоит ли начинать изучение программирования с языка ассемблера?
Нет, так делать не нужно. Для этого есть несколько причин:
- Ассемблер слишком сильно отличается от языков высокого уровня, и переходить с него на другой язык будет сложно.
- Опыт, полученный при изучении ассемблера, в другом языке вам не пригодится. Изучение высокоуровневых языков после ассемблера придётся начинать с чистого листа.
- Ассемблер — слишком подробный язык. Все рутинные действия, которые в других языках берёт на себя транслятор, в ассемблере приходится описывать программисту. Это может быстро наскучить.
Поэтому, даже если вы решили заняться профессией, связанной с ассемблером, изучение программирования вам лучше начинать с языка высокого уровня. А уж ассемблер после него будет выучить несложно.
Микропроцессор, выпущенный компанией Intel в 1979 году. Использовался в оригинальных компьютерах IBM PC.
Данные, которые обрабатываются командой — грамматической конструкцией языка программирования, обозначающей аргумент операции.
Центральная часть операционной системы, координирующая доступ приложений к процессорному времени, памяти, внешним устройствам.
Программа, которая обеспечивает загрузку самой OC сразу после включения компьютера.
Что такое компилятор и как он работает
Знакомимся с программой, которая умеет создавать другие программы для того, чтобы создавать ещё больше программ.
Иллюстрация: Оля Ежак для Skillbox Media
Дмитрий Зверев
Любитель научной фантастики и технологического прогресса. Хорошо сочетает в себе заумного технаря и утончённого гуманитария. Пишет про IT и радуется этому.
Компилятор — это программа, которая переводит исходный код на языке программирования в машинный код. Если этого не сделать, компьютер не поймёт, как выполнить инструкции разработчика. Поэтому мы отдаём компилятору строки кода, а он сравнивает их со своим словарём, учитывает контекст и выдаёт набор из нулей и единиц.
В этой статье разберёмся:
- для чего нужны компиляторы;
- как они работают;
- на каких языках их пишут;
- почему у одного языка может быть несколько компиляторов;
- какие они бывают;
- в чём их отличие от интерпретаторов и трансляторов;
- какие плюсы и минусы есть у компилируемых языков;
- где узнать про компиляторы подробнее.
Для чего нужен компилятор
Выдвинем дерзкое утверждение: компьютеры очень глупы, они не понимают человеческого языка — и, в частности, языков программирования. Всё, что они умеют, — это принимать электрические сигналы и как-то на них реагировать.
Если упрощать, то компьютер — это коробка с миллиардами переключателей. Дёрнули одни — сложили два числа, дёрнули другие — записали данные на жёсткий диск. И хотя современные компьютеры с аппаратной точки зрения устроены сложнее, принцип остаётся похожим.
Когда мы пишем код, то используем понятные для людей слова, такие как print, string, import, Процедура и Исключение. Нам их значение кажется очевидным: здесь вывели результат на печать, а там объявили строковую переменную. Но для компьютера эти слова ничего не значат.
Компьютер видит слово print и воспринимает его ровно так же, как вы воспринимаете слова из любого неизвестного вам языка. Ничего не понятно, но какой-то смысл у них точно есть. Поэтому компьютеру, как и нам, нужен переводчик — или компилятор.
Компилятор понимает, что значит слово print — и даже умеет сказать компьютеру, как его правильно обработать. Таким образом, он решает три задачи:
- разбирает синтаксис написанного;
- анализирует его;
- генерирует машинный код.
На вход компилятор принимает исходный код, а отдаёт исполняемый файл — программу, которая готова к работе.
Звучит просто. Но к компиляторам есть много вопросов — например, на каких языках их пишут, как они устроены внутри и каких видов бывают. Обо всём этом расскажем в статье. И начнём с того, как работают компиляторы.
Как работают компиляторы
Итак, ещё раз: чтобы компьютеры выполняли команды программистов, им нужны переводчики с человеческого на машинный. Рассмотрим процесс перевода — сначала в общих чертах, а потом подробно.
��♂️ Коротко
Компилятор получает на вход файл с кодом на каком-то языке программирования. Он преобразовывает конструкции языка в формат, понятный компьютеру, и возвращает файл, который тот сможет выполнить.
Чтобы преобразовать исходный код, компилятор использует собственный словарь с определениями — например, оператор if меняет на 11010011100110, а сложение — на 101011. Он делает это, пока не закончатся все строки в файле. Получается исполнительный файл, который выглядит так:
В таком формате компьютеру уже удобно читать инструкции и выполнять их. А значит, компилятор сделал свою работу хорошо.
�� Подробнее. Компилирование состоит из пяти этапов: синтаксического анализа, парсинга, семантического анализа, оптимизации и генерации кода. Давайте разберём каждую стадию.
1️⃣ Синтаксический анализ. Это что-то вроде разбора грамматики языка. Когда мы пишем код, то следуем определённым правилам — синтаксису. Например, в Java между командами ставим точку с запятой. Если этого не сделать, то получим ошибку.
На этапе синтаксического анализа компилятор проверяет, соответствует ли код правилам конкретного языка программирования. И пока он не думает о том, что именно написано, — проверка идёт только по формальным признакам.
2️⃣ Парсинг. На этом этапе компилятор разбивает код на маленькие кусочки — токены. Каждый токен — это какое-то слово или символ, например if, while, int или (.
Из токенов строится синтаксическое дерево, которое содержит слова и символы, и пригодится на следующем этапе — семантическом анализе. Каждый узел дерева — это либо операция, например сложение, либо переменная. Обычно, когда мы доходим до переменной, то дальше ветви не разрастаются.
Давайте посмотрим, как выглядит такое дерево.
Допустим, у нас есть простой код со сложением двух чисел:
Здесь пять токенов: x, =, 5, + и 3. Пробелы считать не будем. Из этих токенов строится такое дерево:
Мы видим, что на вершине находится главная операция — присваивание переменной x результата сложения двух чисел. От неё отходит две ветви — сама переменная x и символ сложения, который ветвится на слагаемые числа.
В процессе парсинга компилятор не понимает, зачем нужен каждый из токенов. Пока что он машинально выполняет свою работу — думать будет на следующем этапе.
3️⃣ Семантический анализ. Компилятор начинает вдумываться в то, что написано в коде, анализируя составленное синтаксическое дерево. Например, если мы объявили переменную, он понимает, что это значит и какие операции можно с ней выполнить.
Ещё компилятор на этом этапе может предполагать, какие именно действия с переменной возможны. Если он видит, что у нас есть переменная неизменяемого типа, например константа, то при попытке кода её изменить, выдаст ошибку.
4️⃣ Оптимизация. Когда синтаксис разобран и стало понятно, что делает программа, время ускорить работу кода. Компилятор ищет способы повысить скорость его выполнения или уменьшить количество занимаемой им памяти.
Самый простой пример оптимизации — умножение на ноль. Например, у нас есть фрагмент кода:
После уже появились языки более высокого уровня — например, C. Компилятор для C написан на том же ассемблере. Работает он похожим образом:
- разработчик пишет программу на C;
- компилятор переводит команды на языке программирования с C в машинные инструкции;
- компьютер запускает эти инструкции.
Дальше — вверх по высокоуровневости языков программирования. Компилятор на С++ написан на C, а для JavaScript — на C++. Но если спускаться по цепочке, то мы рано или поздно придём к ассемблеру.
Почему не всегда в одном языке один компилятор
�� Стойте, а зачем тогда языкам программирования несколько компиляторов? Почему бы всем не использовать только один?
Для каждого языка программирования первый компилятор обычно пишут его разработчики. Например, возьмём язык C.
Его компилятор написан на ассемблере, а сделал это Деннис Ритчи. Он исходил из принципов, что одни команды языка должны конвертироваться в одни инструкции для ассемблера, а другие — в другие. Но, возможно, это была не лучшая реализация: в каких-то местах компилятор мог работать медленно, а в каких-то и вовсе не справлялся. Поэтому сторонние разработчики решили написать свои версии «переводчика» кода на C.
Например, кто-то мог взглянуть на код компилятора C и подумать: «Да тут же нет сборщика мусора, это что такое-то?!» — и пойти написать свою версию, которая будет залатывать все утечки памяти и чистить неиспользуемые переменные.
Другой разработчик может взглянуть и подумать: да тут же нет нормальной оптимизации под мои задачи из машинного обучения. А затем пойти и написать компилятор, который будет конвертировать код на C в TensorFlow-структуры.
Каждая реализация компилятора нужна для своих целей: кому-то важно собирать мусор, а кому-то иметь супербыстрый код, который обгонит любой другой. Это значит, что они будут различаться архитектурой, используемым языком программирования, скоростью работы и назначением. Но глобально — будут делать одну и ту же вещь: компилировать.
Какими бывают компиляторы
К сожалению, ещё нет универсального компилятора, который бы переводил код любого языка программирования в машинный код для всех устройств. У нас есть разные операционные системы, их версии, разная архитектура процессоров и так далее.
В зависимости от задач компиляторы можно разделить на несколько групп. Например, по направлению перевода кода.
Традиционные компиляторы
Умеют переводить код на языке программирования в машинный. Именно о них мы преимущественно и говорили в этой статье. Пример — компилятор g++ для языка C++.
Кросс-компиляторы
Эти компиляторы работают на одной платформе и создают код для другой. Их часто используют разработчики для встроенных систем, мощности которых недостаточно для самостоятельного компилирования. Например, в микроконтроллерах.
К кросс-компиляторам относят GCC (GNU Compiler Collection). Он поддерживает C++, Objective-C, Java, Fortran и Go и разную архитектуру процессоров.
Транспайлеры
Преобразуют исходный код языка высокого уровня в исходный код другого языка высокого уровня. Например, транспайлер Babel преобразует ECMAScript 2015+ в JavaScript.
Обратные компиляторы
Эти компиляторы делают обратное действие — анализируют уже скомпилированный код и пытаются превратить его в исходный код на высокоуровневом языке. Это может быть полезно для анализа или отладки.