программа переводящая языки программирования в машинные коды

Содержание урока

§40. Системное программное обеспечение

§41. Системы программирования

Трансляторы

§42. Инсталляция программ

§41. Системы программирования

Трансляторы

Основа любой системы программирования — транслятор.

Транслятор — это программа, которая переводит в машинные коды тексты программ, написанных на языке высокого уровня.

Существуют два типа трансляторов: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор анализирует текст программы по частям. Разобрав очередной фрагмент, он немедленно выполняет описанные в нем действия и переходит к обработке следующего фрагмента.

Достоинства интерпретаторов:

• программы переносимы (программа будет работать в любой системе, где установлена программа-интерпретатор);
• удобно отлаживать программу.

Есть и существенные недостатки.

• программу невозможно выполнить, если не установлен интерпретатор;
• программы выполняются медленно (в цикле из 100 шагов каждая строчка 100 раз «разбирается» интерпретатором);
• в тех частях программы, которые не выполнялись во время отладки, могут оставаться синтаксические ошибки.

Второй тип трансляторов — компиляторы. Они, в отличие от интерпретаторов, сразу переводят всю программу в машинный код и строят исполняемый файл, готовый к запуску.

Достоинства компиляторов:

• чтобы запустить программу, не нужно устанавливать транслятор;
• поскольку программа уже переведена в машинные коды, она выполняется значительно быстрее, чем при использовании интерпретатора.

Недостатки тоже есть:

1 Многие программы, разработанные для ОС Windows, могут быть запущены в Linux с помощью программы-оболочки Wine (www.winehq.org).

Чтобы как-то совместить достоинства интерпретаторов и компиляторов, была предложена идея компиляции программы в некоторый промежуточный исполняемый код (псевдокод, P-код), а не сразу в команды конкретного процессора. Для выполнения такого псевдокода нужна специальная среда — виртуальная машина, которую в принципе можно разработать для любого процессора и любой операционной системы.

Программа сначала обрабатывается компилятором, который строит псевдокод, а потом этот псевдокод выполняется интерпретатором.

Таким образом,

• при компиляции в псевдокод проверяются все синтаксические ошибки, поэтому при выполнении такую проверку делать не нужно; это значительно ускоряет работу программ в сравнении с интерпретацией;
• обеспечивается переносимость программ — можно выполнять программу (псевдокод) на любом компьютере, где есть виртуальная машина.

Байт-код — это разновидность псевдокода, в котором команда занимает 1 байт, а далее следуют её аргументы (или их адреса). Современные версии интерпретируемых языков Perl, РНР, Python используют компиляцию в байт-код для ускорения выполнения программы.

Следующая страница Состав системы программирования

Cкачать материалы урока

Источник

Трансляторы. Для перевода программы с языка программирования в машинные коды, понятные компьютеру, существуют специальные программы – трансляторы

Для перевода программы с языка программирования в машинные коды, понятные компьютеру, существуют специальные программы – трансляторы. Трансляторы бывают двух видов: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретаторыпереводят в машинный код (или некое промежуточное представление) и сразу выполняют каждый оператор программы. Причем только после того, как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор перейдет к следующему. При этом если один и тот же оператор должен выполняться в программе многократно, интерпретатор всякий раз будет выполнять его так, как будто встретил впервые. Поэтому недостатком интерпретатора является то, что программы, в которых требуется осуществить большой объем повторяющихся вычислений, могут работать медленно. Можно сказать, что интерпретатор моделирует некую виртуальную вычислительную машину, для которой базовыми инструкциями служат не элементарные команды процессора, а операторы языка программирования. Для выполнения этой же программы на другом компьютере, там также должен быть установлен интерпретатор.

С помощью интерпретатора допустимо в любой момент остановить работу программы, исследовать содержимое памяти, организовать диалог с пользователем, выполнить сколь угодно сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать состояние окружающей программно-аппаратной среды, благодаря чему достигается высокая надежность работы. Интерпретатор при выполнении каждого оператора проверяет множество характеристик операционной системы и при необходимости максимально подробно информирует разработчика о возникающих проблемах. Кроме того, интерпретатор очень удобен для использования в качестве инструмента изучения программирования, так как позволяет понять принципы работы любого отдельного оператора языка.

Компиляторы переводят весь текст программы в машинный код, затем его можно использовать отдельно от исходного текста. Компиляторы полностью просматривают весь текст программы (исходный код) в поисках синтаксических ошибок, выполняют определенный смысловой анализ и затем автоматически переводятна машинный язык — генерируют машинный код. Нередко при этом выполняется оптимизацияс помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие программы (например, с помощью инструкций, ориентированных на конкретный процессор, путем исключения ненужных команд, промежуточных вычислений и т. д.). В результате законченная программа получается компактной и эффективной, работает в сотни раз быстрее программы, выполняемой с помощью интерпретатора, и может быть перенесена на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.

Основной недостаток компиляторов — трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, часто заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Тогда в машинный код приходится вставлять множество дополнительных проверок, анализировать наличие ресурсов операционной системы, динамически их захватывать и освобождать, формировать и обрабатывать в памяти компьютера сложные объекты, что на уровне жестко заданных машинных инструкций осуществить довольно трудно, а для ряда задач практически невозможно.

В реальных системах программирования перемешаны технологии и компиляции и интерпретации. В процессе отладки программа может выполняться по шагам, а затем компилироваться в машинный код.

Источник

Преобразование программы в машинные коды. Интерпретаторы и компиляторы

Трансляция программы — преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в программу на другом языке и, в определённом смысле, равносильную первой.

Язык, на котором представлена входная программа, называется исходным языком, а сама программа — исходным кодом.

Транслирующие программы делятся на две категории: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор преобразует небольшой фрагмент исходной программы в машинные команды и, лишь дождавшись, когда компьютер их выполнит, переходит к обработке следующего фрагмента.

Компилятор, наоборот, транслирует всю программу, написанную на языке высокого уровня, и помещает команды в память компьютера, не выполняя их; компилированную программу можно сохранить, чтобы в дальнейшем использовать.

Каждый из этих способов преобразования имеет свои достоинства и недостатки.

Компилированные программы выполняются быстрее, чем интерпретируемые; однажды компилированная программа не требует в дальнейшем компилятора, и компьютеру не приходится исхитряться, чтобы одновременно и транслировать, и выполнять программу.

Программы, написанные на языках, ориентированных на интерпретацию, требуют присутствия в памяти компьютера интерпретатора, который осуществляет трансляцию программы в ходе ее выполнения.

Благодаря построчной трансляции интерпретатор полезен как при отладке, так и при трансляции программ, подверженных частым изменениям; исправленную программу можно сразу запустить, чтобы проверить ее работу. При использовании компилятора исправленную программу приходится перекомпилировать.

Как компилятор, так и интерпретатор должны соответствовать правилам конкретного языка высокого уровня, который они транслируют. Подобно тому, как правила грамматики описывают естественный язык, правила формального языка управляют работой программиста, указывая, как можно соединять слова и символы, используемые в языке, при построении сложных выражений и задавая правила форматирования, в том числе употребления пробелов и знаков пунктуации. В транслирующих программах грамматика является основой преобразования понятий исходной программы в машинный код.

Оптимизация кода для повышения эффективности

Транслятор устроен так, что при генерации кода не может «заглянуть» ни вперед по программе, ни назад, на уже сгенерированный код. В результате машинный код может оказаться либо избыточным, либо плохо организованным, либо то и другое вместе.

В интерпретаторе с этим приходится мириться, но в компиляторе предусмотрено специальное средство ликвидации такой неэффективности.

На последнем этапе работы компилятора, этапе оптимизации, происходит поиск тех мест машинного кода, которые можно усовершенствовать. При оптимизации решаются две задачи, часто противоречащие друг другу: сократить длину программы, чтобы она занимала меньший объем памяти, и преобразовать ее так, чтобы она выполнялась быстрее.

Одна из главных задач компилятора находить и удалять избыточные команды для части машинного кода программы. В двух местах этой части программы компилятор сгенерировал машинные команды, фактически исключающие друг друга. Удалив обе пары команд, оптимизатор убивает сразу двух зайцев: получает одновременно и более короткую и быстрее выполняемую программу.

Оптимизации требуют сложных вычислений и могут существенно удлинять процесс компиляции. По этой причине в некоторых компиляторах выбирается компромиссный вариант: серьезное внимание уделяется только тем частям программы (таким, как циклы и процедуры), которые интенсивно используются при выполнении программы. Оптимизатор «отшлифовывает» машинный код только в этих частях программы, уменьшая время ее выполнения без больших затрат времени на компиляцию.

Структура IDE. Отладка программ

Обычно среда разработки включает в себя текстовый редактор, компилятор и/или интерпретатор, средства автоматизации сборки и отладчик. Иногда также содержит средства для интеграции с системами управления версиями и разнообразные инструменты для упрощения конструирования графического интерфейса пользователя.

Многие современные среды разработки также включают браузер классов, инспектор объектов и диаграмму иерархии классов — для использования при объектно-ориентированной разработке ПО. Хотя и существуют среды разработки, предназначенные для нескольких языков — такие как Eclipse или Microsoft Visual Studio, обычно среда разработки предназначается для одного определённого языка программирования — как например, Visual Basic.

Создание проектов производится с помощью специального менеджера, который последовательно, шаг за шагом запрашивает информацию о новом проекте. Здесь можно установить пути к включаемым файлам, пути к библиотекам, установить опции компилятора, ассемблера и линкера.

После успешной компиляции проекта, его можно запустить на исполнение или отладку. Количество ошибок в программах заранее неизвестно, поэтому заранее неизвестна продолжительность отладки. Лучшим средством для сокращения отладки являются структурные методы проектирования программ с использованием структурного псевдокода или языков структурного программирования.

Отладка — это часто тяжёлая и утомительная задача. Способности программиста к отладке — это, по-видимому, важнейший фактор в обнаружении источника проблемы, но сложность отладки сильно зависит от используемого языка программирования и инструментов, в частности, отладчиков. Отладчик представляет из себя программный инструмент, позволяющий программисту наблюдать за выполнением исследуемой программы, останавливать и перезапускать её, прогонять в замедленном темпе, изменять значения в памяти и даже, в некоторых случаях, возвращать назад по времени.

Использование языков программирования высокого уровня обычно упрощает отладку, поскольку содержат такие средства как обработка исключений, сильно облегчающие поиск источника проблемы. В некоторых низкоуровневых языках, таких как ассемблер, ошибки могут приводить к незаметным проблемам — например, повреждениям памяти или утечкам памяти, и бывает довольно трудно определить, что стало первоначальной причиной ошибки. В этих случаях, могут потребоваться изощрённые приёмы и средства отладки.

Лекция 8.

Основы языка Object Pascal/Delphi

В настоящем курсе рассматриваются основы языка программирования Object Pascal, реализованного в среде программирования Delphi фирмы Borland International.

Описание структуры проекта

Любая программа в Delphi состоит из файла проекта (файл с расширением dpr) и одного или нескольких модулей (файлы с расширениями pas). Каждый из таких файлов описывает программную единицу Object Pascal.

Файл проекта представляет собой программу, написанную на языке Object Pascal и предназначенную для обработки компилятором. Эта программа автоматически создается Delphi и содержит лишь несколько строк. Чтобы увидеть их, запустите Delphi и щелкните по опции Project | View Source главного меню. Delphi покажет окно кода с закладкой Project1, содержащее такой текст:

program Project1;

Uses

Unit1 in ‘Unit1.pas’ ;

Begin

Зарезервированные слова играют важную роль в Object Pascal, придавая программе в целом свойство текста, написанного на почти естественном английском языке. Каждое зарезервированное слово (а их в Object Pascal несколько десятков) несет в себе условное сообщение для компилятора, который анализирует текст программы так же, как читаем его и мы: слева направо и сверху вниз.

Комментарии, наоборот, ничего не значат для компилятора, и он их игнорирует. Комментарии важны для программиста, который с их помощью поясняет те или иные места программы. Наличие комментариев в тексте программы делает ее понятнее и позволяет легко вспомнить особенности реализации программы, которую вы написали несколько лет назад. В Object Pascal комментарием считается любая последовательность символов, заключенная в фигурные скобки. В приведенном выше тексте таких комментариев два, но строка

Поскольку речь зашла о комментариях, замечу, что в Object Pascal в качестве ограничителей комментария могут также использоваться пары символов (*, *) и //. Скобки (*. *) допускают вложенные комментарии, а символы // указывают компилятору, что комментарий располагается за ними и продолжается до конца текущей строки:

(*Это тоже комментарий*)

//Все символы до конца этой строки составляют комментарий

Слово Program со следующим за ним именем программы и точкой с запятой образуют заголовок программы. За заголовком следует раздел описаний, в котором программист (или Delphi) описывает используемые в программе идентификаторы. Идентификаторы обозначают элементы программы, такие как типы, переменные, процедуры, функции (об элементах программы мы поговорим чуть позже). Здесь же с помощью предложения, которое начинается зарезервированным словом uses (использовать) программист сообщает компилятору о тех фрагментах программы (модулях), которые необходимо рассматривать как неотъемлемые составные части программы и которые располагаются в других файлах. Строки:

Forms, Unit1 in ‘Unitl.pas’ ;

означает обращение к методу Initialize объекта Application. Прочитав эту строку, компилятор создаст код, который заставит процессор перейти к выполнению некоторого фрагмента программы, написанного для нас разработчиками Delphi. После выполнения этого фрагмента (программисты говорят: после выхода из подпрограммы) управление процессором перейдет к следующей строке программы, в которой вызывается метод CreateForm и т. д.

Описание структуры модуля

// Секция интерфейсных объявлений

В секции интерфейсных объявлений описываются программные элементы (типы, классы, процедуры и функции), которые будут «видны» другим программным модулям, а в секции реализации раскрывается механизм работы этих элементов. Разделение модуля на две секции обеспечивает удобный механизм обмена алгоритмами между отдельными частями одной программы. Он также реализует средство обмена программными разработками между отдельными программистами. Получив откомпилированный «посторонний» модуль, программист получает доступ только к его интерфейсной части, в которой, как уже говорилось, содержатся объявления элементов. Детали реализации объявленных процедур, функций, классов скрыты в секции реализации и недоступны другим модулям.

Щелкните по закладке Unit1 окна кода, и вы увидите такой текст:

Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls,

Forms, Dialogs, StdCtrls, Buttons, ExtCtrls;

Источник

Трансляторы и их виды

Поскольку текст, записанный на языке программирования, непонятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный код. Такой перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией, а выполняется она специальными программами – трансляторами.

В настоящее время трансляторы разделяются на три основные группы: ассемблеры, компиляторы и интерпретаторы.

Вместе с тем, язык ассемблера, кроме аналогов машинных команд, содержит множество дополнительных директив, облегчающих, в частности, управление ресурсами компьютера, написание повторяющихся фрагментов, построение многомодульных программ. Поэтому выразительность языка намного богаче, чем просто языка символического кодирования, что значительно повышает эффективность программирования.

Эмуляторы используются достаточно часто в самых различных целях. Например, при разработке новых вычислительных систем, сначала создается эмулятор, выполняющий программы, разрабатываемые для еще несуществующих компьютеров. Это позволяет оценить систему команд и наработать базовое программное обеспечение еще до того, как будет создано соответствующее оборудование.

Очень часто эмулятор используется для выполнения старых программ на новых вычислительных машинах. Обычно новые компьютеры обладают более высоким быстродействием и имеют более качественное периферийное оборудование. Это позволяет эмулировать старые программы более эффективно по сравнению с их выполнением на старых компьютерах.

Макропроцессоры используются и с языками высокого уровня. Они увеличивают функциональные возможности таких языков как PL/1, C, C++. Особенно широко макропроцессоры применяются в C и C++, позволяя упростить написание программ. Макропроцессоры повышают эффективность программирования без изменения синтаксиса и семантики языка.

Любой транслятор выполняет следующие основные задачи:

­- анализирует транслируемую программу, в частности определяет, содержит ли она синтаксические ошибки;

— генерирует выходную программу (ее часто называют объектной) на языке машинных команд;

— распределяет память для объектной программы.

Источник

Транскомпилируемые языки: проекты конвертации код-в-код

Источник: Ward Cunningham

Транспиляция — это конвертация кода одного языка в другой. С помощью специального транспилера (транскомпилятора) один язык программирования общего назначения можно перенести на любой другой язык программирования общего назначения.

Если необходимо переключиться на другой язык, транспилеры помогут разработчикам сохранить бóльшую часть существующего кода, не переписывая весь код вручную. Например, при преобразовании программ из Python 2 в Python 3, или при переносе софта от старого API в новый.

Термины «транспилер» и «транскомпилятор» часто взаимозаменяемы, но все же считается, что различия есть. Например, для преобразования кода C++ в C потребуется транспилер, а для конвертации Python-Ruby — транскомпилятор. Babel для JavaScript — это транспилер, а TypeScript — транскомпилирумый язык.

Иногда после конвертации транспилером для правильной работы кода требуется ручная настройка, в то время как в транскомпилируемых языках код должен работать без изменений. Сегодня поговорим о тех и о других, но главное — расскажем о популярных транс-проектах, которые разработчики могут использовать в повседневной работе.

Транспилирование во фронтенде

Конвертация — важная часть фронтенд-разработки: поскольку новые фичи в браузерах появляются медленно, были созданы языки с экспериментальными возможностями, которые транспилируются в совместимые с браузерами языки.

За буйный расцвет транс-языков для JavaScript также несут ответственность разработчики браузеров, использующие в каждом проекте свой механизм JavaScript. В результате браузеры имеют различную производительность, реализуют свой набор функций JavaScript, и к полному соответствию спецификации приближаются с разной скоростью.

Sass, Less и Stylus упрощают создание CSS-кода. Так Sass обладает гибким синтаксисом, логикой (@if, each), математикой (можно складывать числа, строки и цвета), за счет чего все богатство кода транспилируется ruby-программой в обычный CSS.

Less (Leaner Style Sheets) выглядит так же, как CSS, но имеет удобные дополнения: переменные, миксины, арифметические операции (как у Sass) и т.д.

Stylus написан на Node.js и отличается от Sass и Less более чистым синтаксисом. Но фактически эти три языка очень похожи друг на друга, поэтому не ошибетесь, если выберите любой из них.

Скажем «Hello, World!» на CoffeeScript — что может быть проще:

CoffeeScript долгое время оставался самым популярным проектом для JavaScript. Это неудивительно: совмещая доступность (документация умещается на одной странице), функциональные фичи (скобки, отступы и т.д.) и чистый, вдохновленный Ruby, синтаксис, этот язык дает разработчикам много степеней свободы и позволяет сделать JS более выразительным.

TypeScript — конкурирующий проект под JavaScript, скриптовый язык с добавлением опциональной статичной типизации. Позволяет более полно описывать свойства и методы объектов и классов, в отличие от JS, избавляя от необходимости осуществлять проверку всех аргументов, входящих в метод или функцию.

Существует мнение, что JavaScript — это язык с фундаментальными изъянами. Иначе трудно объяснить популярность транс-языков, работающих именно над исправлением его недостатков. Помимо вышеназванных проектов есть еще гибкий язык веб-программирования Dart, компилятор из JavaScript в JavaScript Closure Compiler и многие другие решения, узнать о которых вы можете на странице «Список языков, которые компилируются в JS».

Конвертируем в С

В 2006 г. появился проект Vala, состоящий из двух языков: Vala и Genie, транслирующих самый обычный код на С, который, в свою очередь, компилируется в исполняемый файл или библиотеку.

Синтаксис Vala очень похож на C#, но адаптирован для лучшей совместимости с системами GObject, в то время как Genie имеет много общего с Python. Первый язык сейчас более распространен, чем Genie, поэтому рассмотрим его подробнее.

Почему возникла необходимость в таком проекте? Многие разработчики хотели писать приложения и библиотеки для GNOME на высокоуровневых языках, но по разным причинам не могли или не хотели использовать C# или Java. Vala позволяет быстро создать сложный объектно-ориентированный код, поддерживая стандартные C API и ABI при низких требованиях к памяти.

Библиотеки C# и Java нельзя использовать так же, как нативные библиотеки GObject из C и других языков, и нельзя считать их частью платформы GNOME. Valac, транскомпилятор Vala, создает файлы C из исходных файлов Vala так, словно вы написали свою библиотеку или приложение непосредственно на C. Использование библиотеки Vala из приложения C не отличается от использования любой другой библиотеки на основе GObject.

Читаем и записываем файл на Vala:

С другими примерами кода вы можете ознакомиться на сайте.

От Flash до мультиплатформенности

Haxe создавался одновременно с Vala, но предназначен для транспилирования во Flash, JavaScript и Neko. С таким набором скиллов язык был обречен на вымирание, однако он не только выжил, но и завоевал большую популярность.

Секрет успеха заключается в мультиплатформенности. Со временем Haxe разросся до мощного набора инструментов, поддерживающих транскомпиляцию на разные языки и платформы, включая JavaScript, C++, C#, Java, JVM, Python, Lua, PHP и Flash.

Haxe — современный, высокоуровневый, строго типизированный язык программирования. В то же время он довольно простой и практичный, благодаря чему компиляцию можно приспособить к различным целевым платформам. Его синтаксис в основном соответствует стандарту ECMAScript, но при необходимости изменяется.

«Hello World» на Haxe:

В JavaScript эти строчки кода будут выглядеть следующим образом:

Бóльшая часть кода Haxe организована в классы и функции, что делает его ООП-языком, напоминающим Java, ActionScript 3 и C#. Тем не менее Haxe разрабатывался с упором на прагматичность и легкость синтаксиса.

И о транспилерах

Заключение

Существует огромное количество других языков, поэтому для своего проекта вы всегда можете подобрать самый подходящий. Но ситуации, когда необходима конвертация код-в-код — не такая уж редкость, так как транспиляции C++ в C, PHP в C++ и «что угодно в JavaScript» случаются довольно часто.

«Переводчик» с одного языка на другой — хорошая идея, но лишь до тех пор, пока результат можно четко предсказать и использовать без рисков. Так, переход с COBOL на Java давался тяжело, поскольку в Java до версии JDK 1.4 не было memory-mapped files. А упомянутые в статье C2Rust и Corrode на выходе дают не идиоматичный код, помеченный как unsafe и наполненный «сырыми» указателями.

Источник