Cs602 java programming fall2016 باقي المنهج

Dr. Mabroka A. M.

CS802: Compliers

Spring 2017

symbol table management‫ ادارة جدول الرموز‬ ‫ لتخزين معلومات عن بنية البرنامج‬Compiler ‫هو عبارة عن هيكلية بيانات يستخدمها املترجم‬

ً ‫ التي يتم استخدامها الحقا‬،‫ يتم تجميع هذه املعلومات من قبل مراحل التحليل للمترجم‬.‫املصدر‬

.‫من قبل مراحل التركيب للحصول على الشفرة النهائية‬  Symbol Tables Symbol tables are data structures that are used by compilers to hold information about source-program constructs. The information is collected incrementally by the analysis phases of a compiler and used by the synthesis phases to generate the target code. Entries in the symbol table contain information about an identifier such as its character string (or lexeme) , its type, its position in storage, and any other relevant information. Symbol tables typically need to support multiple declarations of the same identifier within a program. That is the scope of a declaration is the portion of a program to which the declaration applies. We shall implement scopes by setting up a separate symbol table for each scope. A program block with declarations will have its own symbol table with an entry for each declaration in the block.

This approach also works for other constructs that set up scopes; for example, a class would have its own table, with an entry for each field and method.

ً ُ ‫) التي تمثل اسم املتغيرة تخزن في‬lexeme( ‫ سلسلة الرموز‬،lexical analyzer ‫ خالل مرحلة املاسح‬:‫مثال‬ Compiler‫ و يتم اضافة معلومات عنها الى الجدول خالل املراحل القادمة من مراحل ال‬.‫جدول الرموز‬ ‫ في‬،position ‫) و موقع تخزينها‬....،‫ متغيرة‬،‫ اسم روتين‬،‫ و مهمتها (اسم مصفوفة‬،type ‫مثل نوعها‬ ُ ‫ تستخدم هذه املعلومات لتوليد الشفرة املناسبة لتخزين و‬code generation ‫مرحلة توليد الشفرة‬ .‫عنونة هذه املتغيرة‬ lexical ‫ العالقة بين جدول الرموز و‬ .‫ ذات الش ئ‬lexeme‫العمليتان الرئيسيتان اللتان تخصان جدول الرموز هما ادراج و استرجاع ال‬ .‫ املنسقة معه‬token‫ يتم تخزين ال‬،‫ في جدول الرموز‬lexeme‫عندما ُيخزن ال‬

36

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫العمليات التالية يتم تنفيذها على جدول الرموز‪:‬‬ ‫و هو اسم دالة (او اجراء) يقوم بادراج مدخلة في جدول الرموز ) ‪insert ( s, t‬‬ ‫‪token‬‬

‫‪1.‬‬

‫‪lexeme‬‬

‫‪ :s‬ترجع التسلسل ‪ index‬ملدخلة جديدة لسلسلة ‪s‬‬ ‫‪ :t‬هي ال‪token‬‬ ‫) ‪2. lookup ( s‬‬

‫‪ :s‬ترجع التسلسل ‪ index‬ملدخلة ‪ s‬اذا كانت موجودة‪ ،‬و اال‪ ،‬ترجع ‪.0‬‬ ‫يستخدم ال‪ lexical analyzer‬عملية ‪ loolup‬ليحدد ما إذا كانت هذه ال‪ lexeme‬قد تم تخزينها في‬ ‫جدول الرموز أم ال‪ .‬إذا كانت غير موجودة‪ ،‬يقوم ال‪ lexical‬باستدعاء العملية ‪ insert‬ليدرج مدخلة‬ ‫جديدة في الجدول‪.‬‬ ‫‪ ‬العالقة بين جدول الرموز و ‪syntax‬‬ ‫عندما تتم عملية ال‪ insert‬من قبل املاسح ‪ ،lexical‬البد من ترجيع مكان تسلسل هذه املدخلة‬ ‫‪ index of entry‬في جدول الرموز‪ ،‬عندها‪ ،‬يتم االتصال باللغوي ‪ syntax‬إلبالغه بمكان تواجد هذه‬ ‫ً‬ ‫املدخلة في الجدول‪ ،‬بناءا على ذلك‪ ،‬يقوم اللغوي ‪ syntax‬بتحديد مكان تواجد هذه املدخلة في‬ ‫ً‬ ‫التسلسل الهيكلي (الشجرة النحوية) و معرفة قيمة املدخلة (ترجيع قيمة ال‪ token‬من الجدول‪ ،‬مثال‬ ‫‪ id‬أو غيرها)‪.‬‬ ‫‪ ‬معالجة الكلمات املحجوزة‬ ‫يمكن للعمليتين السابقتين‪ :‬االدراج ‪ insert‬و البحث ‪ lookup‬ان تعالج أي مجموعة من الكلمات‬ ‫ً‬ ‫املحجوزة‪ .‬مثال‪ :‬جملة ‪ if‬الشرطية يتم التعامل معها من قبل ال‪ lexical‬و ادراجها في جدول الرموز عن‬ ‫طريق العملية‪insert ( “if”, if) :‬‬ ‫‪Lexeme‬‬ ‫‪token‬‬ ‫أي عملية ‪ lookup‬ترجع ‪ if‬كـ ‪ ،token‬لذلك‪ ،‬اليمكن استخدامها كمتغيرة ‪.id‬‬

‫‪37‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬تنفيذ جدول الرموز ‪implementation of symbol table‬‬ ‫ً‬ ‫البد أوال من تحديد نوع هيكلية البيانات املراد استخدامها كجدول رموز‪ ،‬و كذلك تحديد نوع‬ ‫الهيكلية للبيانات املدخلة‪ .‬أحد انواع هذه الهيكليات هي كالتالي‪:‬‬

‫‪Class Env implements chained symboi tables‬‬

‫‪38‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬معالج الخطأ ‪error handler‬‬ ‫يعتبر معالج الخطأ من املراحل التي يتم االتصال بها من قبل جميع مراحل ال‪ Compiler‬االخرى‪ ،‬و‬ ‫ذلك ملعرفة الخطأ و مكان تواجده في البرنامج املصدر‪ .‬اكتشاف الخطا من املهام الجديرة باالهتمام من‬ ‫ً‬ ‫قبل مصممي ال‪ Compiler‬حيث يساعد املبرمج على معرفة و تحديد مكان الخطأ و أحيانا تزويده‬ ‫بالتصحيح املحتمل لهذا الخطأ‪.‬‬ ‫‪ ‬أنواع الخطأ‪ :‬يمكن ان يحتوي البرنامج املصدر على أخطاء عند مختلف مراحل ترجمته‪.‬‬ ‫‪ :Lexical error .1‬مثل نسيان اسم متغيرة او الخطأ في حروفها كأن تبدأ برقم بدل حرف او الخطأ‬ ‫في كتابة الكلمات املحجوزة او العالمات‪.‬‬ ‫;‪x y‬‬ ‫مثال‪:‬‬ ‫‪Missing comma‬‬ ‫‪1a = b‬‬ ‫‪Misspelling identifier‬‬ ‫‪Syntactic error .2‬‬ ‫مثل عدم اتزان االقواس في تعبير حسابي‬ ‫‪a = (a+(b/c)-d‬‬ ‫‪Semantic error .3‬‬ ‫عدم توافق النوعية‪ ،‬مثل وضع متغيرة من نوع ما في متغيرة اخرى من نوع مختلف‬ ‫;‪char a‬‬ ‫‪…...‬‬ ‫‪.....‬‬ ‫;‪b = b + a‬‬ ‫‪Logical error .4‬‬ ‫مثل التكرار االنهائي‬

‫‪39‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬العالقة بين معالج الخطأ و ‪syntax‬‬ ‫بعض االخطاء يمكن اكتشافها اثناء مرحلة التحليل الخطي ‪ ،lexical analysis‬لكن معظمها يتم‬ ‫اكتشافه و معالجته اثناء مرحلة التحليل للغوي ‪ .syntax analysis‬أحد االسباب تمك في ان‬ ‫معظم االخطاء التي يقع فيها املبرمجين اخطاء لغوية مخالفة لقواعد اللغة‪ .‬الى جانب ذلك‪ ،‬يمكن‬ ‫ان يتم تمرير سلسلة من ال‪ token‬من قبل ال‪ lexical‬و يستقبلها اللغوي ‪ syntax‬الذي يكتشف‬ ‫انها قد ُمررت بطريقة خاطئة‪.‬سبب آخر يعزو الى طريقة االعراب ‪ parsing method‬التي يتبعها‬ ‫اللغوي لبناء هيكلية تسلسلية يتم فيها اكتشاف الخطأ بفعالية‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪.1‬‬ ‫‪.2‬‬ ‫‪.3‬‬

‫مهام معالج الخطأ‬ ‫اصدار تقارير بوجود أخطا بطريقة واضحة مثل نوع و مكان الخطا بدقة‪.‬‬ ‫ً‬ ‫تغطية حدث هذا الخطأ ليكون قادرا على اكتشاف االخطاء الالحقة‪.‬‬ ‫ان ال يتسبب في بطئ معالجة البرنامج الصحيح‪.‬‬

‫‪ ‬اكتشاف الخطأ و معالجته‬ ‫يقوم معالج االخطاء لدى اكتشافه أي خطأ سواء من قبل املاسح ‪ lexical‬أو اللغوي ‪syntax‬‬ ‫باصدار تقرير عن الخطأ و رقم السطر املوجود فيه الخطأ‪.‬‬ ‫ً‬ ‫و ال يوجد طريقة ثابتة ملعالجة الخطأ‪ ،‬فقد يدفع اللغوي أحيانا البرنامج الى التوقف لدى‬ ‫ً‬ ‫اكتشاف الخطا تجنبا لوجود أخطاء أخرى مترتبة على الخطأ السابق‪ .‬و قد تستمر ترجمة البرنامج‬ ‫بعد تخزين معلومات عن ذلك الخطا و اصدار تقارير عنه فيما بعد‪.‬‬

‫‪40‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬مرحلة التحليل الداللي (املنطقي) ‪semantic analysis‬‬ ‫يعتبر املحلل الداللي احد أهم مراحل ال‪ Compiler‬التي يتم فيها فحص نوعية املتغيرات و التأكد من‬ ‫توافقها مع العمليات املقام عليها‪ .‬و تتم عملية الفحص على الشجرة النحوية التي ينتجها ال‪syntax‬‬ ‫لتكون هي نفسها املخرج من مرحلة التحليل الداللي و لكن قد تم فحصها و اصدار تقارير عليها‪.‬‬ ‫الفحص الذي ُيجريه ال‪ Compiler‬على البرنامج املصدر ُيسمى بالفحص االستاتيكي‪ ،‬بينما الفحص‬

‫الذي ُيجرى عند تنفيذ البرنامج الهدف ُيسمى بالفحص الديناميكي‪.‬‬ ‫ً‬ ‫بصفة اساسية‪ ،‬أي فحص يمكن أن ُيجرى ديناميكيا‪ ،‬إذا تم التعامل مع قيمة املتغيرة مرفقة بنوعيتها‬ ‫‪ uniqueness checks‬أو ‪ flow of control checks‬فحص تدفق التحكم‪.‬‬ ‫هناك أمثلة متعددة للفحص االستاتيكي‪ ،‬أحدها هو فحص النوعية‪.‬‬

‫‪The design space of types‬‬ ‫‪ ‬فحص النوعية ‪type checking‬‬ ‫إذا لم يكن هناك توافق بين املعامالت و العمليات املقامة عليها‪ ،‬فعلى ال‪ Compiler‬ان يصدر‬ ‫تقرير بوجود خطأ‪ .‬إذا كانت هناك عالمة ‪ operator‬غير متوافقة مع معامالتها مثل‪:‬‬ ‫; ] ‪char a[ size‬‬ ‫‪…..‬‬ ‫; ‪int x = a [ I ] + 1‬‬ ‫‪…….‬‬ ‫نالحظ ان املتغير ‪ x‬من نوع ‪ ،int‬بينما ] ‪ a [ I‬من نوع ‪ char‬و كالهما غير متوافقان في النوعية‪.‬‬ ‫‪41‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬الفاحص ‪type checker‬‬

‫ُ‬ ‫هو عبارة عن برنامج يتحقق من ان نوعية البناء تطابق تماما املقام املوجود فيه‪ .‬بمعنى آخر‪،‬‬ ‫تطابق املعامالت و نوعيتها مع العملية املقامة عليها مثل عملية باقي القسمة التي ال تقبل إال‬

‫متغيرات من نوع صحيح ‪.integer‬‬ ‫‪intermediate‬‬ ‫‪representation‬‬

‫‪Intermediate‬‬ ‫‪code generator‬‬

‫‪parse tree‬‬

‫‪Type‬‬ ‫‪checker‬‬

‫‪parse tree‬‬

‫‪parser‬‬

‫‪Tokens‬‬

‫‪Position of type checker‬‬ ‫‪ ‬تصميم فاحص النوعية‬ ‫يعتمد تصميم فاحص النوعية للغة ما على كل من‪:‬‬ ‫ معلومات عن القواعد النحوية لإلنشاءات ‪ constructs‬التي تتكون منها هذه اللغة‪.‬‬‫ الفكرة العامة للنوعيات ‪notation of types‬‬‫ مجموعلة القوانين التي تنسب االنواع ‪ types‬الى إنشاءات اللغة ‪.language constructs‬‬‫بصفة عامة‪ ،‬االنواع إما أن تكون اساسية او مركبة‪ .‬االساسية و هي التي ال تحتوي على هيكلية‬ ‫داخلية مثل‪ ،integer, char, float, Boolean :‬و املركبة و هي التي تتكون من انواع اساسية‬ ‫متعددة مثل املصفوفات‪ ،‬و الهيكليات املركبة االخرى‪.‬‬ ‫‪ ‬العالقة بين ‪ semantic‬و ‪error handler‬‬ ‫يمكن ان يكتشف ال‪ semantic‬خطأ او مجموعة من االخطاء في البرنامج املصدر‪ ،‬لذا‪ ،‬على‬ ‫ً‬ ‫فاحص النوعية مثال ان يتعامل مع االخطاء بطريقة منطقية في حالة و جودها‪ ،‬وإال‪ ،‬فإن معالج‬ ‫ُ‬ ‫الخطأ يفقد بعض املعلومات املترتبة على النوع و التي من شأنها أن تؤثر في سير البرنامج‪ .‬فعندما‬ ‫يكتشف فاحص النوعية خطأ ما‪ُ ،‬يعلم معالج الخطأ بذلك و يستمر في فحص باقي البرنامج و ال‬ ‫يتأثر باالخطاء التي يكتشفها هو او يكتشفها معالج الخطأ‪.‬‬

‫‪42‬‬

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪ ‬مولد الشفرة الوسطية ‪intermediate code generator‬‬

‫ً‬ ‫بما أن مرحلة توليد الشفرة الوسطية تعتمد هي االخرى أيضا على البرنامج املصدر ‪front end‬‬ ‫ً‬ ‫‪ ،phase‬إذن‪ ،‬باستخدام تمثيل وسط معرف جيدا‪ ،‬يمكن بناء مترجم ‪ Compiler‬للغة ‪ i‬الى لغة‬

‫االلة ‪ j‬عن طريق دمج ‪ front end for language i‬مع ‪.back end for machine j‬‬

‫‪Code‬‬ ‫‪optimizer‬‬ ‫‪& code‬‬ ‫‪generator‬‬

‫‪back end‬‬

‫‪intermediate‬‬ ‫‪code‬‬ ‫‪representation‬‬

‫‪Intermediate‬‬ ‫‪code‬‬ ‫‪generator‬‬

‫‪parse tree‬‬ ‫‪Type‬‬ ‫‪checker‬‬

‫‪parse tree‬‬

‫‪parser‬‬

‫‪Tokens‬‬

‫‪front end‬‬ ‫|‬ ‫‪logical structure of a compiler front end‬‬

‫‪ ‬يمكن ل‪ Compiler‬أن ُيشيد كتمثيل وسطي متتالي لترجمة البرنامج املصدر الى البرنامج‬ ‫الهدف‪.‬‬

‫‪A compiler might use a sequence of intermediate representations‬‬

‫‪‬‬ ‫‬‫‬‫‪-‬‬

‫لغات وسطية ‪intermediate languages‬‬ ‫تصميم التمثيل الوسطي يختلف من ‪ Compiler‬الى آخر و يرمز له بالرمز ‪.IR‬‬ ‫ُ‬ ‫يمكن ان يكون التمثيل الوسطي أحد لغات البرمجة مثل لغة ‪ C‬حيث تستخدم كتمثيل‬ ‫وسطي و يمكن ترجمتها الى شفرة آلة مناسبة‪.‬‬ ‫مترجم لغة ‪ C++‬االصلي (النسخة االصلية ملترجم ‪)C++‬‬ ‫‪C++ Compiler‬‬ ‫يتكون من ‪ front end‬يولد شفرة وسطية و هي برنامج ‪ .C‬ثم يأتي دور ‪ C Compiler‬الذي‬ ‫يمثل ‪.backend‬‬ ‫‪43‬‬

Dr. Mabroka A. M.

CS802: Compliers

Spring 2017

:‫مثال‬ Consider the statement do i = i+1; while ( a [ i ] < v) ; three adress statements ‫عنوان مرمز الول جملة فقط‬

‫ وحدات من الفراغ‬8 ‫مصفوفة عناصر كل عنصر فيها يأخذ‬

.java bytecodes‫ ل‬software interpreter ‫ هي‬JVM  java compiler ‫ هي لغة تمثيل شفرة وسطية ينتجها‬Java bytecodes  .multiple platforms ‫ يزودنا بالتوافقية عبر‬JVM interpreter  ‫ خالل زمن الثنفيذ الى مجموعة تعليمات لاللة‬bytecodes‫ يترجم ال‬JIT Java Compiler  .native hardware ‫الهدف‬

44

Dr. Mabroka A. M.

CS802: Compliers

Spring 2017

code optimizer ‫ مقلص الشفرة‬ ‫ كونها تعتمد على البرنامج‬front end ‫ هي‬code generator ‫ و مرحلة‬code optimizer ‫تعتبر مرحلة‬ .‫الهدف‬

Position of code optimization

Optimisations Optimisations can be done by a compiler in three places: In the source code (i.e., on the abstract syntax), in the intermediate code, and in the machine code. Some optimisations can be specific to the source language or the machine language, but it makes sense to perform optimisations mainly in the intermediate language, as the optimisations hence can be shared among all compilers that use the same intermediate language. Also, the intermediate language is typically simpler than both the source language and the machine language, making the effort of doing optimisations smaller.

Optimising compilers have a wide array of optimisations that they can employ, but we will mention only a few and just hint at how they can be implemented. 

Common subexpression elimination. In the statement a[i] := a[i]+2, the address for a[i] is calculated twice. This double calculation can be eliminated by storing the address in a temporary variable when the address is first calculated, and then use this variable instead of calculating the address again. Simple methods for common subexpression elimination work on basic blocks, i.e., straight-line code without jumps or labels, but more advanced methods can eliminate duplicated calculations even across jumps.



Code hoisting. If part of the computation inside a loop is independent of the variables that change inside the loop, it can be moved outside the loop and only calculated once. For example, in the loop

while (j < k) { sum = sum + a[ i ] [ j ] ; j++ ; } 45

Dr. Mabroka A. M.

CS802: Compliers

Spring 2017

a large part of the address calculation for a[i][j] can be done without knowing j. This part can be moved outside the loop so it will only be calculated once. Note that this optimisation ca not be done on source-code level, as the address calculations are not visible there. For the same reason, the optimised version is not shown here. If k may be less than or equal to j, the loop body may never be entered and we may, hence, unnecessarily execute the code that was moved out of the loop. This might even generate a run-time error. Hence, we can unroll the loop once to if (j < k) { sum = sum + a[i][j]; j++; while (j < k) { sum = sum + a[i][j]; j++; } } The loop-independent part(s) may now without risk be calculated in the unrolled part and reused in the non-unrolled part. Again, this optimisation is not shown. ď&#x201A;ˇ

Constant propagation. A variable may, at some points in the program, have a value that is always equal to a known constant. When such a variable is used in a calculation, this calculation can often be simplified after replacing the variable by the constant that is guaranteed to be its value. Furthermore, the variable that holds the results of this computation may now also become constant, which may enable even more compile-time reduction. Constant-propagation algorithms first trace the flow of constant values through the program, and then reduce calculations. More advanced methods also look at conditions, so they can exploit that after a test on, e.g., x = 0, x is, indeed, the constant 0.

ď&#x201A;ˇ

Index-check elimination. some compilers insert runtime checks to catch cases when an index is outside the bounds of the array. Some of these checks can be removed by the compiler. One way of doing this is to see if the tests on the index are subsumed by earlier tests or ensured by assignments. For example, assume that, in the loop shown above, a is declared to be a k_k array. This means that the entry test for the loop will ensure that j is always less than the upper bound on the array, so this part of the index test can be eliminated. If j is initialised to 0 before entering the loop, we can use this to conclude that we do not need to check the lower bound either.

46

‫‪Spring 2017‬‬

‫‪CS802: Compliers‬‬

‫‪Dr. Mabroka A. M.‬‬

‫‪ ‬مولد الشفرة ‪code generator‬‬ ‫ُ‬ ‫تعد هذه املرحلة هي االخيرة من مراحل ال‪ ،Compiler‬حيث تأخذ هذه املرحلة التمثيل‬ ‫ُ‬ ‫الوسطي للبرنامج املصدر كمدخالت ثم تولد شفرة مطابقة للبرنامج املصدر‪.‬‬

‫‪Position of code generation‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪.1‬‬ ‫‪.2‬‬ ‫‪.3‬‬

‫مهام ‪code generation‬‬ ‫اختيار التعليمة (يختار التعليمات املناسبة لاللة الهدف املقابلة للشفرة الوسط)‪.‬‬ ‫التعامل مع السجالت (العنونة و التخزين)‪.‬‬ ‫طلب التعليمة (حيث يقرر ‪ code generation‬في أي ترتيب يجدول تنفيذ التعليمات)‪.‬‬

‫‪ ‬تصميم ‪code generation‬‬ ‫ً‬ ‫ يتم تصميم ‪ code generation‬وفقا للمهام السابقة التي يؤديها‪.‬‬‫ يستخدم ‪ code generation‬املعلومات املوجودة في جدول الرموز ليحدد ‪run-time‬‬‫‪ addresses‬ل‪ data objects‬التي تدل عليها االسماء في ‪.IR‬‬ ‫ يعتمد ‪ code generator‬في توليد ال‪ code‬على نوع ‪.target-machine architecture‬‬‫ هناك نوعان رئيسيان ل‪ target-machine architecture‬هما‪:‬‬‫‪RISC Reduced Instruction Set Computer‬‬ ‫‪CISC Complex Instruction Set Computer‬‬ ‫‪Stack based‬‬

‫‪47‬‬