Fortran: Compiler

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Was ist ein Compiler?

Compilerschema

Ein Compiler (auch Kompilierer oder Übersetzer) ist ein Computerprogramm, das ein in einer Quellsprache geschriebenes Programm - genannt Quellprogramm - in ein semantisch äquivalentes Programm einer Zielsprache (Zielprogramm) umwandelt. Üblicherweise handelt es sich dabei um die Übersetzung eines von einem Programmierer in einer Programmiersprache geschriebenen Quelltextes in Assemblersprache, Bytecode oder Maschinensprache. Das Übersetzen eines Quellprogramms in ein Zielprogramm durch einen Compiler wird als Kompilierung oder auch als Übersetzung bezeichnet.

Die Bezeichnung Compiler (engl. to compile: zusammenstellen) ist eigentlich irreführend. Ursprünglich bezeichnete das Wort Compiler Programme, die Unterprogramme zusammenfügen (etwa mit heutigen Linkern vergleichbar). Dies geht an der heutigen Kernaufgabe eines Compilers vorbei.

Verwandt mit einem Compiler ist ein Interpreter, der ein Programm nicht in die Zielsprache übersetzt, sondern Schritt für Schritt direkt ausführt.

Aufbau eines Compilers

Compiler werden in verschiedene Phasen gegliedert, die jeweils verschiedene Teilaufgaben des Compilers übernehmen. Sie werden sequentiell ausgeführt. Im Wesentlichen lassen sich zwei Phasen unterscheiden: das Frontend (auch Analysephase), das den Quelltext analysiert und daraus einen attributierten Syntaxbaum erzeugt, sowie das Backend (auch Synthesephase), das daraus das Zielprogramm erzeugt.

Frontend (auch „Analysephase“)

Im Frontend wird der Code analysiert, strukturiert und auf Fehler geprüft. Es ist auch selbst wieder in Phasen gegliedert:

Lexikalische Analyse

Die lexikalische Analyse zerteilt den eingelesenen Quelltext in zusammengehörende Token verschiedener Klassen, z. B. Schlüsselwörter, Bezeichner, Zahlen und Operatoren. Dieser Teil des Compilers heißt Scanner oder Lexer.

Ein Scanner benutzt gelegentlich einen separaten Screener, um Whitespace (also Leerzeichen, Tabulatorzeichen, Zeilenenden) und Kommentare zu überspringen.

Syntaktische Analyse

Die syntaktische Analyse überprüft, ob der eingelesene Quellcode ein korrektes Programm der zu übersetzenden Quellsprache ist, d. h. der Syntax (Grammatik) der Quellsprache entspricht. Dabei wird die Eingabe in einen Syntaxbaum umgewandelt. Dieser Teil wird auch als Parser bezeichnet.

Semantische Analyse

Die semantische Analyse überprüft die statische Semantik, also über die syntaktische Analyse hinausgehende Bedingungen an das Programm. Zum Beispiel muss eine Variable in der Regel deklariert worden sein, bevor sie verwendet wird, und Zuweisungen müssen mit kompatiblen (verträglichen) Datentypen erfolgen. Dies kann mit Hilfe von Attributgrammatiken realisiert werden. Dabei werden die Knoten des vom Parser generierten Syntaxbaums mit Attributen versehen, die Informationen enthalten. So kann zum Beispiel eine Liste aller deklarierten Variablen erstellt werden. Die Ausgabe der semantischen Analyse nennt man dann dekorierter oder attributierter Syntaxbaum.

Backend (auch „Synthesephase“)

Das Backend erzeugt aus dem vom Frontend erstellten attributierten Syntaxbaum den Programmcode der Zielsprache.

Zwischencodeerzeugung

Viele moderne Compiler erzeugen aus dem Syntaxbaum einen Zwischencode, der schon relativ maschinennah sein kann und führen auf diesem Zwischencode z. B. Programmoptimierungen durch. Das bietet sich besonders bei Compilern an, die mehrere Quellsprachen oder verschiedene Zielplattformen unterstützen. Hier kann der Zwischencode auch ein Austauschformat sein.

Programmoptimierung

Der Zwischencode ist Basis vieler Programmoptimierungen.

Codegenerierung

Bei der Codegenerierung wird der Programmcode der Zielsprache entweder direkt aus dem Syntaxbaum oder aus dem Zwischencode erzeugt. Falls die Zielsprache eine Maschinensprache ist, kann das Ergebnis direkt ein ausführbares Programm sein oder eine so genannte Objektdatei, die durch das Linken mit der Laufzeitbibliothek und evtl. weiteren Objektdateien zu einer Bibliothek oder einem ausführbaren Programm führt.

Geschichte

Die Geschichte des Compilerbaus wurde von den jeweils aktuellen Programmiersprachen und Hardwarearchitekturen geprägt. Der erste Compiler (A-0) wurde 1952 von der Mathematikerin Grace Hopper entwickelt. Weitere frühe Meilensteine sind 1954 der erste FORTRAN-Compiler und 1960 der erste COBOL-Compiler. Viele Architekturmerkmale heutiger Compiler wurden aber erst in den 1960er Jahren entwickelt.

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