Компилятор

Примечания

1. ГОСТ 19781-83 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X.; см. также ГОСТ 19781-90
2. ↑ Першиков В. И., Савинков В. М. Толковый словарь по информатике / Рецензенты: канд. физ.-мат. наук А. С. Марков и д-р физ.-мат. наук И. В. Поттосин. — М.: Финансы и статистика, 1991. — 543 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-279-00367-0.
3. ↑ СТ ИСО 2382/7-77 // Вычислительная техника. Терминология. Указ. соч.
4. Борковский А. Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями). — М.: Русский язык, 1990. — 335 с. — 50 050 (доп,) экз. — ISBN 5-200-01169-3.
5. Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп,) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).
6. Н. А. Криницкий, Г. А. Миронов, Г. Д. Фролов. Программирование / Под ред. М. Р. Шура-Бура. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963.

Средства сборки проекта

Традиционно, программа на языке C++ собирается средствами утилиты make исполняющей сценарий из файла Makefile. Сценарий сборки можно писать самостоятельно,
а можно создавать его автоматически с помощью всевозможных средств организации проекта. Среди наиболее известных средств организации проекта можно указать следующие.

1. GNU Toolchain — Старейшая система сборки проектов известная еще по сочетанию команд configure-make-«make install».
2. CMake — Кроссплатформенная система сборки, которая позволяет не только создать кроссплатформенный проект но и создать сценарий компиляции под любые известные среды разработки, для которых написаны соответствующие генераторы сценариев.
3. QMake — Достаточно простая система сборки, специально реализованная для фреймворка Qt и широко используемая именно для сборки Qt-проектов. Может быть использована и просто для сборки проектов на языке C++. Имеет некоторые проблемы с выявлением сложных зависимостей метакомпиляции, специфической для Qt, поэтому, даже в проектах Qt, рекомендуется использование системы сборки CMake.

Современные версии QtCreator могут работать с проектами, которые используют как систему сборки QMake, так и систему сборки CMake.

Если компиляция завершилась ошибкой

Ничего страшного, сделайте глубокий вдох. Вероятно, мы сможем это исправить. 🙂

Сначала посмотрите на сообщение об ошибке, которое вам выдал компилятор. Чаще всего оно будет содержать номер строки, указывающий, какая строка содержала ошибку. Изучите и эту строку, и строки вокруг нее и убедитесь, что нет опечаток или орфографических ошибок. Также убедитесь, что вы не скопировали в код номера строк.

Во-вторых, посмотрите вопросы и ответы в уроке «0.8 – Несколько распространенных проблем C++», поскольку ваша проблема может быть там освещена.

В-третьих, прочтите комментарии ниже – кто-то мог столкнуться с той же проблемой.

Наконец, если всё вышеперечисленное не помогло, попробуйте поискать сообщение об ошибке в Google. Скорее всего, кто-то уже сталкивался с этим раньше и придумал, как это исправить.

Компиляция программ Linux

Первое что нам понадобиться — это исходники самой программы. В этом примере мы будем собирать самую последнюю версию vim. Это вполне нейтральная программа, достаточно простая и нужная всем, поэтому она отлично подойдет для примера.

Получение исходников

Первое что нам понадобиться, это исходные коды программы, которые можно взять на GitHub. Вы можете найти исходники для большинства программ Linux на GitHub. Кроме того, там же есть инструкции по сборке:

Давайте загрузим сами исходники нашей программы с помощью утилиты git:

Также, можно было скачать архив на сайте, и затем распаковать его в нужную папку, но так будет удобнее. Утилита создаст папку с именем программы, нам нужно сделать ее рабочей:

Настройка configure

Дальше нам нужно запустить скрипт, который проверит нашу программу на совместимость с системой и настроит параметры компиляции. Он называется configure и поставляется разработчиками программы вместе с исходниками. Весь процесс компиляции описан в файле Makefile, его будет создавать эта утилита.

Если configure нет в папке с исходниками, вы можете попытаться выполнить такие скрипты чтобы его создать:

Также для создания этого скрипта можно воспользоваться утилитой automake:

Утилита automake и другие из ее набора генерируют необходимые файлы на основе файла Mackefile.am. Этот файл обязательно есть в большинстве проектов.

После того как вы получили configure мы можем переходить к настройке. Одним из огромных плюсов ручной сборки программ есть то, что вы можете сами выбрать с какими опциями собирать программу, где она будет размещена и какие дополнительные возможности стоит включить. Все это настраивается с помощью configure. Полный набор опций можно посмотреть, выполнив:

Рассмотрим наиболее часто используемые, стандартные для всех программ опции:

• —prefix=PREFIX — папка для установки программы, вместо /, например, может быть /usr/local/, тогда все файлы будут распространены не по основной файловой системе, а в /usr/local;
• —bindir=DIR — папка для размещения исполняемых файлов, должна находится в PREFIX;
• —libdir=DIR — папка для размещения и поиска библиотек по умолчанию, тоже в PREFIX;
• —includedir=DIR — папка для размещения man страниц;
• —disable-возможность — отключить указанную возможность;
• —enable-возможность — включить возможность;
• —with-библиотека — подобно enable активирует указанную библиотеку или заголовочный файл;
• —without-библиотека — подобное disable отключает использование библиотеки.

Вы можете выполнить configure без опций, чтобы использовать значения по умолчанию, но также можете вручную указать нужные пути. В нашем случае ./configure есть, и мы можем его использовать:

Во время настройки утилита будет проверять, есть ли все необходимые библиотеки в системе, и если нет, вам придется их установить или отключить эту функцию, если это возможно. Например, может возникнуть такая ошибка: no terminal library found checking for tgetent()… configure: error: NOT FOUND!

В таком случае нам необходимо установить требуемую библиотеку. Например, программа предлагает ncurses, поэтому ставим:

Приставка lib всегда добавляется перед библиотеками, а -dev — означает, что нам нужна библиотека со всеми заголовочными файлами. После удовлетворения всех зависимостей настройка пройдет успешно.

Сборка программы

Когда настройка будет завершена и Makefile будет готов, вы сможете перейти непосредственно к сборке программы. На этом этапе выполняется непосредственно преобразование исходного кода в машинный. Утилита make на основе Makefile сделает все необходимые действия:

Дальше осталось установить саму программу, если вы использовали опцию prefix, чтобы не устанавливать программу в основную файловую систему, то можно применить стандартную опцию make:

После этого программа будет установлена в указанную вами папку, и вы сможете ее использовать. Но более правильный путь — создавать пакет для установки программы, это делается с помощью утилиты checkinstall, она позволяет создавать как deb, так и rpm пакеты, поэтому может использоваться не только в Ubuntu. Вместо make install выполните:

Затем просто установите получившийся пакет с помощью dpkg:

После этого сборка программы полностью завершена и установлена, так что вы можете переходить к полноценному использованию.

Если вы устанавливали программу с помощью make install, то удалить ее можно выполнив в той же папке обратную команду:

Команда удалит все файлы, которые были скопированы в файловую систему.

Проекты

Чтобы написать программу на C++ внутри IDE, мы обычно начинаем с создания нового проекта (мы покажем вам, как это сделать чуть позже). Проект – это контейнер, в котором хранятся все файлы исходного кода, изображения, файлы данных и т.д., которые необходимы для создания исполняемого файла (или библиотеки, веб-сайта и т.д.), который вы сможете запускать или использовать. Проект также сохраняет различные настройки IDE, компилятора и компоновщика, а также запоминает, где вы остановились, чтобы позже, при повторном открытии проекта состояние IDE можно было восстановить с того места, где вы остановились. Когда вы решите скомпилировать свою программу, все файлы .cpp в проекте будут скомпилированы и слинкованы.

Каждый проект соответствует одной программе. Когда вы будете готовы создать вторую программу, вам нужно будет либо создать новый проект, либо перезаписать код в существующем проекте (если вы не хотите его оставлять). Файлы проекта обычно специфичны для конкретной IDE, поэтому проект, созданный в одной IDE, необходимо будет заново создать в другой IDE.

Лучшая практика

Создавайте новый проект для каждой новой программы, которую вы пишете.

Генерация кода

Генерация машинного кода

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен физическим процессором. Как правило, этот код также ориентирован на исполнение в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ею возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой компилируется (собирается) машинно-ориентированная программа, называется целевой машиной.

Результат компиляции — исполнимый программный модуль — обладает максимально возможной производительностью, однако привязан к конкретной операционной системе (семейству или подсемейству ОС) и процессору (семейству процессоров) и не будет работать на других.

Для каждой целевой машины (IBM, Apple, Sun, Эльбрус и т. д.) и каждой операционной системы или семейства операционных систем, работающих на целевой машине, требуется написание своего компилятора. Существуют также так называемые кросс-компиляторы, позволяющие на одной машине и в среде одной ОС генерировать код, предназначенный для выполнения на другой целевой машине и/или в среде другой ОС. Кроме того, компиляторы могут оптимизировать код под разные модели из одного семейства процессоров (путём поддержки специфичных для этих моделей особенностей или расширений наборов команд). Например, код, скомпилированный под процессоры семейства Pentium, может учитывать особенности распараллеливания инструкций и использовать их специфичные расширения — MMX, SSE и т. п.

Некоторые компиляторы переводят программу с языка высокого уровня не прямо в машинный код, а на язык ассемблера. (Пример: PureBasic, транслирующий бейсик-код в ассемблер FASM.) Это делается для упрощения части компилятора, отвечающей за генерацию кода, и повышения его переносимости (задача окончательной генерации кода и привязки его к требуемой целевой платформе перекладывается на ассемблер), либо для возможности контроля и исправления результата компиляции (в том числе ручной оптимизации) программистом.

Генерация байт-кода

Результатом работы компилятора может быть программа на специально созданном низкоуровневом языке двоично-кодовых команд, выполняемых виртуальной машиной. Такой язык называется псевдокодом или байт-кодом. Как правило, он не есть машинный код какого-либо компьютера и программы на нём могут исполняться на различных архитектурах, где имеется соответствующая виртуальная машина, но в некоторых случаях создаются аппаратные платформы, напрямую выполняющие псевдокод какого-либо языка. Например, псевдокод языка Java называется байт-кодом Java и выполняется в Java Virtual Machine, для его прямого исполнения была создана спецификация процессора picoJava. Для платформы .NET Framework псевдокод называется Common Intermediate Language (CIL), а среда исполнения — Common Language Runtime (CLR).

Некоторые реализации интерпретируемых языков высокого уровня (например, Perl) используют байт-код для оптимизации исполнения: затратные этапы синтаксического анализа и преобразование текста программы в байт-код выполняются один раз при загрузке, затем соответствующий код может многократно использоваться без перекомляции.

Динамическая компиляция

Основная статья: Динамическая компиляция (англ.)

Из-за необходимости интерпретации байт-код выполняется значительно медленнее машинного кода сравнимой функциональности, однако он более переносим (не зависит от операционной системы и модели процессора). Чтобы ускорить выполнение байт-кода, используется динамическая компиляция, когда виртуальная машина транслирует псевдокод в машинный код непосредственно перед его первым исполнением (и при повторных обращениях к коду исполняется уже скомпилированный вариант).

Наиболее популярной разновидностью динамической компиляции является JIT. Другой разновидностью является инкрементальная компиляция.

CIL-код также компилируется в код целевой машины JIT-компилятором, а библиотеки .NET Framework компилируются заранее.

За и против

Основным аргументом за использование процесса компиляции является скорость. Возможность компилировать любой программный код в машинный, который может понять процессор ПК, исключает использование промежуточного кода. Можно запускать программы без дополнительных шагов, тем самым увеличивая скорость обработки кода.

Но наибольшим недостатком компиляции является специфичность. Когда компилируете программу для работы на конкретном процессоре, вы создаете объектный код, который будет работать только на этом процессоре. Если хотите, чтобы программа запускалась на другой машине, вам придется перекомпилировать программу под этот процессор. А перекомпиляция может быть довольно сложной, если процессор имеет ограничения или особенности, не присущие первому. А также может вызывать ошибки компиляции.

Основное преимущество интерпретации — гибкость. Можно не только запускать интерпретируемую программу на любом процессоре или платформе, для которых интерпретатор был скомпилирован. Написанный интерпретатор может предложить дополнительную гибкость. В определенном смысле интерпретаторы проще понять и написать, чем компиляторы.

С помощью интерпретатора проще добавить дополнительные функции, реализовать такие элементы, как сборщики мусора, а не расширять язык.

Другим преимуществом интерпретаторов является то, что их проще переписать или перекомпилировать для новых платформ.

Написание компилятора для процессора требует добавления множества функций, или полной переработки. Но как только компилятор написан, можно скомпилировать кучу интерпретаторов и на выходе мы имеем перспективный язык. Не нужно повторно внедрять интерпретатор на базовом уровне для другого процессора.

Самым большим недостатком интерпретаторов является скорость. Для каждой программы выполняется так много переводов, фильтраций, что это приводит к замедлению работы и мешает выполнению программного кода.

Это проблема для конкретных real-time приложений, таких как игры с высоким разрешением и симуляцией. Некоторые интерпретаторы содержат компоненты, которые называются just-in-time компиляторами (JIT). Они компилируют программу непосредственно перед ее исполнением. Это специальные программы, вынесенные за рамки интерпретатора. Но поскольку процессоры становятся все более мощными, данная проблема становится менее актуальной.

Структура компилятора

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

1. Трансляция программы — трансляция всех или только изменённых модулей исходной программы.
2. Компоновка машинно-ориентированной программы.

Структурные реализации компилятора могут быть следующими:

1. И транслятор, и компоновщик могут целиком входить в состав компилятора как исполняемые программы.
2. Компилятор сам выполняет лишь трансляцию компилируемой программы, компоновка же программы выполняется вызываемой компилятором отдельной программой-компоновщиком. Практически все современные компиляторы построены по такой схеме.
3. Пакет программ, включающий в себя трансляторы с разных языков программирования и компоновщики.

По первой схеме строились самые первые компиляторы, — для современных компиляторов такая схема построения нехарактерна.

По второй схеме построены все без исключения компиляторы с языков высокого уровня. Любой такой компилятор сам выполняет только трансляцию и далее вызывает компоновщик как внешнюю подпрограмму, который и компонует машинно-ориентированную программу. Такая схема построения легко позволяет компилятору работать и в режиме транслятора с соответствующего языка программирования. Этот обстоятельство нередко служит поводом считать компилятор разновидностью транслятора, что естественно неверно, — все современные компиляторы такого типа все же выполняют компоновку, пусть и силами вызываемого компилятором внешнего компоновщика, тогда как транслятор сам никогда не выполняет вызов внешнего компоновщика. Но это же обстоятельство позволяет компилятору с одного языка программирования на фазе компоновки включать в программу написанную на одном языке программирования функции-подпрограммы из уже оттранслированных соответствующим транслятором/компилятором, написанные на ином языке программирования. Так в программу на C/C++ можно вставлять функции написанные например на Pascal или Fortran. Аналогично и напротив написанная на C/C++ функции могут быть вставлены в Pascal- или Fortran-программу соответственно. Это было бы невозможно без поддержки многими современными компиляторами генерации кода вызова процедур (функций) в соответствии с соглашениями иных языков программирования. Например современные компиляторы с языка Pascal помимо организации вызова процедур/функций в стандарте самого Pascal поддерживают организацию вызова процедурой/функцией в соответствии с соглашениями языка C/C++. (Например чтобы на уровне машинного кода написанная на Pascal процедура/функция работала с входными параметрами в соответствии с соглашениями языка C/C++, — оператор объявления такой Pascal-процедуры/Pascal-функции должен содержать ключевое слово cdecl.)

Наконец по третьей схеме построены компиляторы, представляющие собой целые системы, включающие в себя трансляторы с разных языков программирования и компоновщики. Также любой такой компилятор может использовать в качестве транслятора любой способный работать в режиме транслятора компилятор с конкретного языка высокого уровня. Естественно такой компилятор может компилировать программу, разные части исходного текста которой написаны на разных языках программирования. Нередко такие компиляторы управляются встроенным интерпретатором того или иного командного языка. Яркий пример таких компиляторов — имеющийся во всех UNIX-системах (в частности в Linux) компилятор make.

Трансляция программы как неотъемлемая составляющая компиляции включает в себя:

1. Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
2. Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в древо разбора.
3. Семантический анализ. На этой фазе древо разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) — например, привязка идентификаторов к их объявлениям, типам данных, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным древом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.
4. Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах — например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.
5. Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом машинно-ориентированном языке.

Обозначение понятия

Существуют следующие возможные способы применения слова компиляция:

1. Аниме. В данной сфере компиляцией обозначают короткометражный или полнометражный фильм, который основан на соответствующем сериале, выполненном в классическом жанре японской анимации
2. Литература. В этом виде искусства компиляцией называют создание сочинений на основании уже существующих произведений, без дополнительной обработки источников. Также в литературе данным термином обозначают любую работу, выполненную таким образом. Этот вид деятельности существенно отличается от плагиата ввиду того, что в некоторых типах произведений, таких как обзоры, очерки или монографии, авторам необходимо использовать большое количество источников, в том числе и отдельных вставок из них.
3. Музыка. В данном виде искусства компиляцией называют сборник или же целый альбом, в который входят композиции, выполненные на одну и ту же тему. Это могут быть хит-парады, песни, определенного стиля или эпохи, а также сочинения некоего исполнителя различных лет написания. Отдельно в музыке этим термином именуется методика составления произведения из уже использующихся тем. Иногда компиляцией можно назвать то же, что и попурри.
4. Программирование. Компиляцией в данной науке принято именовать осуществление трансляции программы, что написана на высокоуровневом языке, в программу, которая создана посредством языка более низкого уровня, но при этом имеющего схожий машинный код. Этот процесс осуществляется при помощи использования специального компилятора.

Вышеперечисленный перечень сфер применения понятия компиляция не является исчерпывающим.

Литература

Использование компиляции в литературе напрямую связано с сочинением работ, которые основаны на использовании большого количества источников. Таким способом создается информативный и действительно полезный материал, в котором можно найти большое количество данных по заданной теме.

Появление компиляции в литературе объясняется распространением учебно-популяризаторских и просветительских целей. В древние времена отсутствие такого механизма было объяснено сложностью понимания авторства и не имеющимся во всех государствах института авторского права.

Музыка

Основные типичные примеры компиляции в музыке заключаются в следующем:

1. Сборники самых популярных композиций артиста или же группы. Для привлечения внимания к ним, чаще всего в них включают песню, ранее не выпускавшуюся в других альбомах.
2. Другие сборники артиста или группы. Это могут быть редкие записи, песни, являющиеся саундтреками к фильмам, и т.д.
3. Наборы дисков исполнителя. Они могут охватывать либо все творчество исполнителя, либо часть его альбомов.
4. Тематические сборники нескольких исполнителей. Они могут быть посвящены любви, Новому году, Рождеству и т.д.
5. Жанровые сборники. Чаще всего их создают исполнители, работающие в жанрах блюз, рок, джаз и др.
6. Сборники хитов различных артистов. Чаще всего это касается самых популярных песен различных времен или же определенного года.
7. Рекламные сборники. Эта форма продвижения является одной из наиболее успешных и популярных.
8. Альбомы продюсеров. В большинстве случаев они помогают в работе большому количеству исполнителей.

Таким образом, компиляция в музыке обрела такое же распространение, как и в литературе.

Программирование

В программировании существуют следующие виды компиляции:

• пакетная – использование нескольких модулей в одном и том же задании;
• построчная – анализ и интерпретация каждой завершенной грамматической конструкции языка по очереди;
• условная – транслируемый текст основывается на тех нормах, что заданы в первоначальной программе.

Трансляция программы – это неотъемлемая часть компиляции. Этот процесс включает в себя такие действия:

• анализ лексики;
• анализ синтаксиса;
• анализ семантики;
• оптимизация;
• генерация нового кода.

Для осуществления компиляции в программировании используются различные типы программ. Они бывают векторизующими, гибкими, диалоговыми, инкрементальными, интерпретирующими, отладочными, резидентными, самокомпилирующими и универсальными.

Основная функциональность и терминология

Компиля́ция — сборка программы, включающая:

1. трансляцию всех модулей программы, написанных на одном или нескольких исходных языках программирования высокого уровня и/или языке ассемблера, в эквивалентные программные модули на низкоуровневом языке, близком машинному коду (абсолютный код, объектный модуль, иногда на язык ассемблера) или непосредственно на машинном языке или ином двоичнокодовом низкоуровневом командном языке
2. и последующую сборку исполняемой машинной программы, в том числе вставка в программу кода всех функций, импортируемых из статических библиотек и/или генерация кода запроса к ОС на загрузку динамических библиотек, из которых программой функции будут вызываться.

Если компилятор генерирует исполняемую машинную программу на машинном языке, то такая программа непосредственно исполняется физической программируемой машиной (например компьютером). В других случаях исполняемая машинная программа выполняется соответствующей виртуальной машиной.

Входная информация для компилятора есть:

1. на фазе трансляции: исходный код программы, являющийся описанием алгоритма или программы на предметно-ориентированном языке программирования;
2. на фазе компоновки: сгенерированные на фазе трансляции файлы объектных кодов модулей программы, а также файлы объектных кодов статических библиотек и данные о используемых динамических библиотеках.

На выходе компилятора — эквивалентное описание алгоритма на машинно-ориентированном языке (объектный код, байт-код).

Компили́ровать — проводить сборку машинной программы, включая:

1. трансляцию с предметно-ориентированного языка на машинно-ориентированный язык,
2. компоновка исполняемой машинно-ориентированной программы из сгенерированных на фазе трансляции объектных модулей — модулей, содержащих части кода программы на машинно-ориентированного кода программы.

Довольно часто компиляторы с языков высокого уровня выполняют лишь трансляцию исходного кода, компоновку же поручая внешнему компоновщику, — компоновщику, представляющему самостоятельную программу, вызываемую компилятором как внешняя подпрограмма. Вследствие этого компилятор многие считают разновидность транслятора, что неверно…