Aula 23: Noções de Compilação, Montagem, Link-edição, e Interpretação

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1 Aula 23: Noções de Compilação, Montagem, Link-edição, e Interpretação Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 1 / 30

2 Revisão Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 2 / 30

3 Nas Aulas Anteriores Falamos sobre linguagens de montagem Linguagens de baixo nível Forte correspondência com as instruções do processador Facilitam tarefa de desenvolver programas Não é preciso escovar bits Definimos uma linguagem de montagem para o nosso processador E vimos como usá-la para escrever programas simples Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 3 / 30

4 Na Aula de Hoje Vamos falar sobre o processo de tradução de um código-fonte em linguagem de alto nível para as instruções executadas pelo processador Vamos discutir as várias etapas deste processo Compilação Montagem Link-edição Carregamento Discussão apenas introdutória Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 4 / 30

5 Motivação e Visão Geral Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 5 / 30

6 Por Que Linguagens de Alto Nível? O advento das linguagens de montagem simplificou a tarefa de programação Programador não era mais forçado a lidar diretamente com os bits das instruções Complicadores, como endereços de saltos, eram tratados automaticamente Através de labels com nomes intuitivos Houve algum ganho em portabilidade também Se o conjunto de instruções e a linguagem de montagem fossem compatíveis, código podia ser aproveitado Mas isso é suficiente? Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 6 / 30

7 Por Que Linguagens de Alto Nível? (II) Programar no nível de instruções de máquina ainda é árduo Instruções muito elementares Tarefas complexas requerem longas sequências de instruções Trechos de código podem facilmente gerar efeitos colaterais Nem sempre desejados ou esperados Depuração e manutenção do código também são problemáticas Códigos longos e com baixa legibilidade Código não é facilmente mapeável para os algoritmos implementados Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 7 / 30

8 Por Que Linguagens de Alto Nível? (III) Idealmente, gostaríamos de um linguagem que: Fosse mais compacta: código-fonte menor Fosse mais legível: representação mais direta dos algoritmos Possuísse macro-comandos: tarefas comuns descritas em uma linha Permitisse abstrações: utilização de conceitos/estruturas mais abstratas, distantes do hardware real Permitisse fácil portabilidade: mesmo código-fonte, diferentes processadores Estas necessidades deram origem às Linguagens de Alto Nível Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 8 / 30

9 Linguagens de Alto Nível: Exemplos int factorial(int n) { if (n == 0) return 1; else return n * factorial (n - 1); } (defun factorial (n) (if (= n 0) 1 (* n (factorial (- n 1))) ) ) function fact(n: integer): longint; begin if (n = 0) then fact := 1 else fact := n * fact(n - 1); end; Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 9 / 30

10 Linguagens de Alto Nível: Código-Fonte vs Código Executável Os comandos de uma linguagem de alto nível são muito complexos para os processadores É preciso quebrá-los em instruções mais básicas A tarefa de transformar um código-fonte em linguagem de alto nível para um código executável é automatizada Feita por outros programas já prontos Normalmente, atribuímos esta tarefa a um programa chamado de compilador Mas esta afirmação não é correta É uma simplificação de um processo mais complexo Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 10 / 30

11 Processo de Geração do Executável Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 11 / 30

12 Detalhando as Etapas Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 12 / 30

13 Processo de Geração do Executável: Compilação Primeira fase do processo Consiste da tradução da linguagem de alto nível para a linguagem de montagem do processador Mas os bits das instruções ainda não são gerados A compilação, por sua vez, é dividida em etapas: Análise léxica Análise sintática Análise de escopo e tipos Geração de código Otimização Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 13 / 30

14 Processo de Geração do Executável: Compilação (II) As fases de análise (léxica, sintática, escopo e tipos) verificam se o código-fonte é válido Nesta fase, são acusados erros como: Caracteres inválidos (erro léxico) Falta de ponto-e-vírgula (erro sintático) Variável não declarada (erro de escopo) Incompatibilidade de tipos (erro de tipo) eg, tentar atribuir um valor real a uma variável do tipo string Em caso de erros, o compilador não é capaz de entender o programa Tradução é impossível Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 14 / 30

15 Processo de Geração do Executável: Compilação (III) A geração de código é onde a tradução em si ocorre A semântica do código-fonte é analisada pelo compilador Sequências de instruções na linguagem de montagem são geradas, correspondendo à mesma semântica Código em linguagem de montagem deve necessariamente ter a mesma semântica do código em alto nível Fazer tudo o que o código-fonte original descreve E apenas o que ele descreve Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 15 / 30

16 Processo de Geração do Executável: Compilação (IV) A última etapa da compilação é a otimização Compilador verifica se código em linguagem de montagem pode ser melhorado Sem alterar sua semântica Exemplos de técnicas de otimização de código: Expandir repetições Alterar ordem de instruções para evitar flushes do pipeline Detectar (e excluir) código morto Alterar ordem de acesso à memória para melhorar acerto da cache Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 16 / 30

17 Processo de Geração do Executável: Montagem Uma vez gerado traduzido da linguagem de alto nível para a linguagem de montagem, código precisa ser montado Isto é, algum programa precisa traduzi-lo da representação textual para os bits das instruções Este programa é chamado de montador Ou assembler, em inglês Mas a saída do montador ainda não é o código executável final É o chamado código-objeto Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 17 / 30

18 Processo de Geração do Executável: Montagem (II) Dentre as tarefas do montador, podemos citar: Substituir mnemônicos e outros identificadores textuais por correspondentes numéricos (eg, opcodes) Substituir labels por endereços de memória numéricos Reservar espaço de memória para instruções e dados Converter constantes numéricas para representações binárias Examinar correção das instruções eg, se constantes numéricas não são grandes demais eg, se identificadores dos registradores são válidos Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 18 / 30

19 Processo de Geração do Executável: Link-Edição Programas em linguagens de alto nível raramente são auto-contidos Isto é, nem todas as instruções a serem executadas se encontram descritas no código-fonte É comum usarmos bibliotecas Conjuntos de funções externas Disponíveis para facilitar a escrita dos programas eg, funções para impressão de mensagens em tela Em algum ponto da geração do código executável, alguém precisa substituir estas referências pelas instruções correspondentes Papel do ligador ou linkeditor Ou ainda linker, em inglês Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 19 / 30

20 Processo de Geração do Executável: Link-Edição (II) Linkeditor recebe como entrada conjunto de arquivos de código-objeto Embora individualmente cada arquivo não seja auto-contido, em conjunto eles precisam ser Isto é, todas as referências precisam ser resolvidas para sequências de instruções presentes no conjunto Linkeditor pega os trechos relevantes de cada arquivo e monta um único arquivo O Arquivo Executável Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 20 / 30

21 O Loader Após a link-edição, o programa executável é armazenado na forma de uma arquivo Este arquivo normalmente é armazenado em alguma memória não-volátil HD, pendrive, cartão de memória Antes de executarmos o programa, precisamos carregar as instruções do arquivo para a MP Tarefa realizada por um programa especial, chamado loader Cada SO possui seu próprio loader Tecnicamente, esta etapa não faz parte do processo de geração do executável Mas ela pode auxiliar em um caso particular Chamado de ligação dinâmica Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 21 / 30

22 Ligação Dinâmica vs Estática Quando o link-editor inclui o código de uma função externa no executável gerado, dizemos que houve uma ligação estática Nem sempre ele faz isso Algumas vezes, é interessante não fazer esta inclusão Ao invés disso, usamos a chamada ligação dinâmica O executável gerado possui apenas uma referência à função externa necessária O loader, ao carregar o executável, carrega também o código da biblioteca que implementa a função externa Processo ocorre apenas quando o programa é executado E precisa ser refeito a cada nova execução Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 22 / 30

23 Ligação Dinâmica vs Estática (II) Mas por que quereríamos usar ligação dinâmica? Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 23 / 30

24 Ligação Dinâmica vs Estática (II) Mas por que quereríamos usar ligação dinâmica? Uma das principais vantagens é a redução do tamanho do arquivo executável Se adicionarmos o código de todas as funções externas, o executável aumenta Algumas funções/bibliotecas são comuns a vários programas em um mesmo computador eg, quantos programas em Pascal não usam a função println()? Ao invés de replicar o código destas funções em todos os programas, guardamos este código na forma de uma Biblioteca Compartilhada Arquivos dll no windows e so no Linux Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 23 / 30

25 Interpretação Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 24 / 30

26 Interpretação Programas em linguagens como C e Pascal precisam ser traduzidos para formatos executáveis Mas nem toda linguagem funciona assim Em algumas linguagens, usamos o conceito de interpretador Chamadas de Linguagens Interpretadas Estas linguagens não são previamente traduzidas Ao contrário, um programa especial, chamado interpretador, lê o código-fonte e o executa diretamente Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 25 / 30

27 Interpretação (II) Embora seja um processo diferente, o interpretador guarda semelhanças com um compilador Fases de análise léxica, sintática e de escopo e tipo são também executadas Mas o interpretador faz isso linha a linha (ou bloco a bloco) durante a execução Há várias linguagens interpretadas bastante utilizadas Exemplos: Python Perl TCL Bash, sh, e similares Matlab Javascript PHP Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 26 / 30

28 Linguagens Interpretadas vs Compiladas Programas em linguagens interpretadas apresentam vantagens: São normalmente bastante portáveis Se o interpretador existe, o programa irá rodar Podem ser pequenos, comparados com correspondentes compilados Muito da complexidade recai sobre o interpretador Mas há desvantagens? Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 27 / 30

29 Linguagens Interpretadas vs Compiladas Programas em linguagens interpretadas apresentam vantagens: São normalmente bastante portáveis Se o interpretador existe, o programa irá rodar Podem ser pequenos, comparados com correspondentes compilados Muito da complexidade recai sobre o interpretador Mas há desvantagens? Execução é mais lenta, por ocorrer concomitantemente com a interpretação Requer mais memória, por depender do carregamento do interpretador Alguns erros facilmente detectáveis via compilação podem demorar a se manifestar na execução Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 27 / 30

30 Usar Assembly ou Linguagem de Alto Nível? Como um programador, em que linguagem você deve programar? Em uma linguagem de alto nível? Ou diretamente na linguagem de montagem (assembly)? Na enorme maioria das vezes, a resposta é fácil Linguagens de alto nível apresentam muitas vantagens: Maior legibilidade Maior portabilidade Maior modularidade Código-fonte menor Melhores abstrações Então para que estudamos linguagem de montagem? Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 28 / 30

31 Usar Assembly ou Linguagem de Alto Nível? (II) Em certos nichos específicos de programação, a linguagem de montagem ainda é uma escolha comum Alguns possíveis motivos: Programas compilados ainda precisam ser traduzidos para instruções Logo, precisamos de compiladores e de quem os escreva Em algumas plataformas, é a única linguagem disponível Já foi mais comum, mas ainda acontece Permite controle sobre exatamente quais instruções serão executadas Importante em certos códigos particulares Ocorre, por exemplo, em certas partes do código de um SO Implementação diretamente em linguagem de montagem pode ser mais eficiente eg, código menor, programa mais rápido Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 29 / 30

32 Assembly e Desempenho É preciso cuidado ao fazer afirmações sobre a eficiência de programas em assembly vs linguagens de alto nível Assembly certamente permite mais controle sobre o código executável final Mas isso pode ser bom ou ruim Um programador experiente em assembly pode ser capaz de gerar um código mais eficiente para uma tarefa particular Por outro lado, métodos de otimização de código em compiladores se tornam cada vez mais eficazes É comum que código gerado por um compilador seja mais eficiente que aquele escrito em assembly por um programador médio Diego Passos (UFF) Compilação, Montagem, Link-edição, Interpretação FAC 30 / 30