как называется программа на япву переведенная в машинно ориентированный код компилятором
Что такое компилятор?
В этом гайде вы узнаете о том, что такое компилятор и как он работает. Мы разберем этапы компиляции и от чего зависит выбор подходящего компилятора. Этот материал поможет лучше понять, как компьютер выполняет программный код и почему иногда код не компилируется.
Зачем нужен компилятор?
Процессор — самая важная часть компьютера. Он обрабатывает информацию, выполняет команды пользователя и следит за работой всех подключенных устройств. Но процессор может разобрать только машинный код — набор 0 и 1, которые записаны в определённом порядке.
Почему именно 0 и 1? В процессор поступают электрические сигналы. Сильный сигнал обозначается цифрой 1, а слабый — 0. Набор таких цифр обозначает какую-то команду. Процессор ее распознает и выполняет.
Программы для первых компьютеров выглядели как огромные наборы 0 и 1. Чтобы записать такую программу, инженеры пользовались гибкими картонными карточками — перфокартами. Цифры на перфокарте записывались поочередно, в несколько строк. Чтобы записать 1, программист делал отверстие в карте. Места без отверстия обозначали 0.
Компьютер считывал перфокарту специальным устройством и выполнял записанную команду. Для одной программы составляли сотни перфокарт.
Писать их было долго и сложно, поэтому инженеры стали создавать языки программирования, обозначая команды словами и знаками. Для того, чтобы процессор понимал, какие команды записаны в программе, программисты создали компилятор — программу, которая преобразует программный код в машинный.
Как работает компилятор?
Преобразование программного кода в машинный называется компиляцией. Компиляция только преобразует код. Она не запускает его на исполнение. В этот момент он “статически” (то есть без запуска) транслируется в машинный код. Это сложный процесс, в котором сначала текст программы разбирается на части и анализируется, а затем генерируется код, понятный процессору.
Разберём этапы компиляции на примере вычисления периметра прямоугольника:
После запуска программы компилятору нужно определить, какие команды в ней записаны. Сначала компилятор разделяет программу на слова и знаки — токены, и записывает их в список. Такой процесс называется лексическим анализом. Его главная задача — получить токены.
Компилятор должен понять, какие токены в списке связаны с токен-оператором. Чтобы сделать это правильно, для каждого оператора строится специальная структура — логическое дерево или дерево разбора.
Так операция P = 2*(a + b) будет преобразована в логическое дерево:
Теперь каждое дерево нужно разобрать на команды, и каждую команду преобразовать в машинный код. Компилятор начинает читать дерево снизу вверх и составляет список команд:
Компилятор еще раз проверяет команды, находит ошибки и старается улучшить код. При успешном завершении этого этапа, компилятор переводит каждую команду в набор 0 и 1. Наборы записываются в файл, который сможет прочитать и выполнить процессор.
На чем написан компилятор?
В 1950-е годы группа разработчиков IBM под руководством Джона Бэкуса разработала первый высокоуровневый язык программирования Fortran, который позволил писать программы на понятном человеку языке. Помимо языка, инженеры работали и над компилятором. Он представлял собой программу с набором исполняемых команд, которая могла компилировать другие программы на Fortran, в том числе и улучшенную версию себя.
В дальнейшем язык Fortran и его компилятор использовали, чтобы написать компиляторы для новых языков программирования. Такой подход используют программисты и в настоящее время. Писать машинный код долго и неудобно. К тому же, для современных процессоров он может отличаться. Придется писать несколько версий одного и того же компилятора для разных компьютеров. Быстрее и проще написать компилятор на существующем языке программирования. Для этого разработчики выбирают удобный язык и пишут на нем первую версию своего компилятора. Он будет более универсальным для компьютеров и легко скомпилирует улучшенную версию себя. 
Какие бывают компиляторы?
Ни один компилируемый язык программирования не обходится без компилятора. Некоторые компиляторы работают с несколькими языками программирования. Но программист должен учитывать еще и параметры компьютера, на котором программа будет запускаться.
Дело в том, что современные процессоры отличаются друг от друга устройством, поэтому машинный код для одного процессора будет понятен, а для другого нет. Это касается и операционных систем: одна и та же программа будет работать на Windows, но не запустится на Linux или MacOS. Поэтому нужно пользоваться тем компилятором, который работает с нужным процессором и операционной системой.
Если программа будет работать на нескольких операционных системах, то нужен кросс-компилятор — компилятор, который преобразует универсальный машинный код. Например, GNU Compiler Collection(сокращенно GCC) поддерживает C++, Objective-C, Java, Фортран, Ada, Go и поддерживает разную архитектуру процессоров.
Начинающие программисты даже не знают о наличии компилятора на компьютере. Они пишут программы в интегрированной среде разработки, в которую встроен компилятор, а иногда и не один. В этом случае, выбор компилятора делает среда, а не программист. Например, MS Visual Studio поддерживает компиляторы для операционных систем Windows, Linux, Android. Выбирая тип проекта, Visual Studio определяет процессор и операционную систему компьютера, и после этого выбирает подходящий компилятор.
Какие ошибки может определить компилятор?
Когда компилятор анализирует текст программы, он проверяет, соответствует ли запись оператора стандартам языка. Если найдено несоответствие, то компилятор выводит об этом информацию пользователю в виде ошибки. Когда вся программа разобрана, пользователь видит список ошибок, которые есть в коде, и может их исправить. Пока программист не исправит ошибки, компилятор не перейдет к следующему этапу — генерации машинного кода для процессора. Чаще всего компилятор показывает пользователю:
Иногда компилятор определяет код, который при выполнении дает неправильный результат. Но преобразовать такую программу в машинный код все-таки можно. В этом случае компилятор показывает пользователю предупреждение. Такая реакция компилятора больше похожа на рекомендации, но на них стоит обратить внимание. Программист сам решает оставить код с предупреждением или изменить программу. Анализируя текст программы, компилятор не только ищет ошибки, но еще и упрощает ее код. Такой процесс называется оптимизацией. Во время оптимизации компилятор изменяет программный код, но функции, которые выполняла программа, остаются прежними.
Выводы и рекомендации
Компилятор — переводчик между программистом и процессором. Он преобразует текст программы в машинный код, определяет ряд ошибок в программе и оптимизирует ее работу. Выбирая, где компилировать программу, важно помнить о том, что машинный код для процессоров и операционных систем будет разным, и подобрать правильный компилятор. Чем точнее компилятор определит команды, тем корректнее и быстрее будет работать программа. Для этого следуйте простым рекомендациям:
Машинный код и компиляция в него — это как?
1 ответ 1
Baremetal
Каждый конкретный процессор (например, Intel Core i3-4160 или ARM Cortex-A9) имеет свою микроархитектуру и реализует архитектуру уровня набора команд (англ. instruction set architecture).
Микроархитектура определяет структуру процессора на уровне электронных компонентов и логических вентилей.
Архитектура уровня набора команд (ISA), грубо говоря, определяет то, какие команды может выполнять процессор. Эта архитектура абстрагированна от микроархитектуры. Процессоры разных комнаний могут реализовывать одну и ту же архитектуру (например, многие процессоры Intel и AMD реализует одно и то же семейство архитектур x86).
Если два процессора реализуют одну и ту же ISA, то они могут исполнять одни и те же программы. ISA определяет, какие команды доступны программисту, какие регистры он может использовать, как он может использовать страничную адресацию, виртуальную память и т. д. Кроме того, она определяет формат команд, которые понимает процессор.
Каждая программа процессора — это просто набор подряд идущих команд. При своем запуске процессор выбирает команду из память по адресу, называемому вектором сброса (англ. reset vector) и начинает исполнять эту программу, пока питание не будет отключено.
Написать программу в машинных кодах достаточно просто — нужно лишь взять справочник по ISA (например, Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals), которую реализует ваш процессор и написать нужные команды байт за байтом.
Конечно, в наше время никто в машинных кодах не пишет, потому что человеку тяжело работать с большим объемом чисел и сложными форматами команд (особенно в x86). Из-за таких сложностей были придуманы языки ассемблера, которые вводят простые мнемоники для инструкций процессора.
Вот так может выглядет отрывок программы на языке ассемблера:
Вот так выглядит программа на машинном языке:
Очевидно, что асссемблерный код и читать, и писать проще.
Теперь у вас достаточно знаний, чтобы открыть справочник, как по словарю, написать программу в машинных кодах и исполнить ее на процессоре. Но, это не сработает в случае, если вы хотите написать программу, которая будет работать в какой-либо операционной системе.
Операционная система
Как я уже сказал, каждая программа процессора — это просто последовательность команд, однако каждая программа операционной системы — это особая последовательность байт, имеющая специальную структуру, в которую входят не только команды процессора.
Поэтому чтобы вручную написать программу в машинных кодах, которая будет запускаться в Windows 10, например, нам, по-мимо написания самой программы, потребуется привести ее к формату Portable Executable.
Но и этого будет не достаточно. Нам придется ознакомится с соглашениями, которые называются ABI и написать программу в машинных кодах, используя именно эти соглашения, а не какие-то другие.
Здесь необходимо, чтобы все части паззла подходили друг к другу по форме: программа должна быть валидной для процессора, формат бинарного файла должен быть понятен операционной системе, программа должна уметь корректно общаться с ОС и т. д. Это все очень сложно обеспечить, если писать программу в шестнадцатеричном редакторе.
Можете начать с написания программ на языке ассемблера (да, вам придется еще выучить синтаксис конкретного языка ассемблера и диалект Intel или AT&T). «Hello, World» на языке NASM будет выглядеть так:
А нужно ли вам это?
В наше время компьютеры стали очень сложными, с десятками слоями абстраций. Даже инструкции ISA современных процессоров — не атомарные сущности, и процессоры выполняет каждую такую инструкцию как набор еще более мелких инструкций — микрооперации (из таких мокроопераций складывается микрокод).
На самом деле, умение писать на языке ассемблера (а тем более, на машинном языке) довольно бесполезно. Умение просто читать и понимать ассемблерный листинг гораздо более практично и действительно может вам пригодится.
А непрактично это в первую очередь потому, что ничего сложнее «Hello, World!» в машинных кодах вы не напишете. На ассемблере — да, напишете, но потратите на это колоссальное количество времени, которое можно было бы потратить на более полезные вещи.
1. Что интересно, инструкция MOV в x86 является Тьюринг-полной, т. е. любая программа может быть написана с использованием одной только этой инструкции. Есть даже специальный компилятор, который использует только одну эту инструкцию.
2. Некоторые ассемблеры могут сразу формировать исполняемые файлы в нужном формате. В том числе и Portable Executable.
3. Я говорю о современных ОС типа Windows или Linux.
Процесс компиляции программ на C++
Цель данной статьи:
В данной статье я хочу рассказать о том, как происходит компиляция программ, написанных на языке C++, и описать каждый этап компиляции. Я не преследую цель рассказать обо всем подробно в деталях, а только дать общее видение. Также данная статья — это необходимое введение перед следующей статьей про статические и динамические библиотеки, так как процесс компиляции крайне важен для понимания перед дальнейшим повествованием о библиотеках.
Все действия будут производиться на Ubuntu версии 16.04.
Используя компилятор g++ версии:
Состав компилятора g++
Мы не будем вызывать данные компоненты напрямую, так как для того, чтобы работать с C++ кодом, требуются дополнительные библиотеки, позволив все необходимые подгрузки делать основному компоненту компилятора — g++.
Зачем нужно компилировать исходные файлы?
Исходный C++ файл — это всего лишь код, но его невозможно запустить как программу или использовать как библиотеку. Поэтому каждый исходный файл требуется скомпилировать в исполняемый файл, динамическую или статическую библиотеки (данные библиотеки будут рассмотрены в следующей статье).
Этапы компиляции:
driver.cpp:
1) Препроцессинг
Самая первая стадия компиляции программы.
Препроцессор — это макро процессор, который преобразовывает вашу программу для дальнейшего компилирования. На данной стадии происходит происходит работа с препроцессорными директивами. Например, препроцессор добавляет хэдеры в код (#include), убирает комментирования, заменяет макросы (#define) их значениями, выбирает нужные куски кода в соответствии с условиями #if, #ifdef и #ifndef.
Хэдеры, включенные в программу с помощью директивы #include, рекурсивно проходят стадию препроцессинга и включаются в выпускаемый файл. Однако, каждый хэдер может быть открыт во время препроцессинга несколько раз, поэтому, обычно, используются специальные препроцессорные директивы, предохраняющие от циклической зависимости.
Получим препроцессированный код в выходной файл driver.ii (прошедшие через стадию препроцессинга C++ файлы имеют расширение .ii), используя флаг -E, который сообщает компилятору, что компилировать (об этом далее) файл не нужно, а только провести его препроцессинг:
Взглянув на тело функции main в новом сгенерированном файле, можно заметить, что макрос RETURN был заменен:
В новом сгенерированном файле также можно увидеть огромное количество новых строк, это различные библиотеки и хэдер iostream.
2) Компиляция
На данном шаге g++ выполняет свою главную задачу — компилирует, то есть преобразует полученный на прошлом шаге код без директив в ассемблерный код. Это промежуточный шаг между высокоуровневым языком и машинным (бинарным) кодом.
Ассемблерный код — это доступное для понимания человеком представление машинного кода.
Используя флаг -S, который сообщает компилятору остановиться после стадии компиляции, получим ассемблерный код в выходном файле driver.s:
Мы можем все также посмотреть и прочесть полученный результат. Но для того, чтобы машина поняла наш код, требуется преобразовать его в машинный код, который мы и получим на следующем шаге.
3) Ассемблирование
Так как x86 процессоры исполняют команды на бинарном коде, необходимо перевести ассемблерный код в машинный с помощью ассемблера.
Ассемблер преобразовывает ассемблерный код в машинный код, сохраняя его в объектном файле.
Объектный файл — это созданный ассемблером промежуточный файл, хранящий кусок машинного кода. Этот кусок машинного кода, который еще не был связан вместе с другими кусками машинного кода в конечную выполняемую программу, называется объектным кодом.
Далее возможно сохранение данного объектного кода в статические библиотеки для того, чтобы не компилировать данный код снова.
Получим машинный код с помощью ассемблера (as) в выходной объектный файл driver.o:
Но на данном шаге еще ничего не закончено, ведь объектных файлов может быть много и нужно их всех соединить в единый исполняемый файл с помощью компоновщика (линкера). Поэтому мы переходим к следующей стадии.
4) Компоновка
Компоновщик (линкер) связывает все объектные файлы и статические библиотеки в единый исполняемый файл, который мы и сможем запустить в дальнейшем. Для того, чтобы понять как происходит связка, следует рассказать о таблице символов.
Таблица символов — это структура данных, создаваемая самим компилятором и хранящаяся в самих объектных файлах. Таблица символов хранит имена переменных, функций, классов, объектов и т.д., где каждому идентификатору (символу) соотносится его тип, область видимости. Также таблица символов хранит адреса ссылок на данные и процедуры в других объектных файлах.
Именно с помощью таблицы символов и хранящихся в них ссылок линкер будет способен в дальнейшем построить связи между данными среди множества других объектных файлов и создать единый исполняемый файл из них.
Получим исполняемый файл driver:
5) Загрузка
Последний этап, который предстоит пройти нашей программе — вызвать загрузчик для загрузки нашей программы в память. На данной стадии также возможна подгрузка динамических библиотек.
Запустим нашу программу:
Заключение
В данной статье были рассмотрены основы процесса компиляции, понимание которых будет довольно полезно каждому начинающему программисту. В скором времени будет опубликована вторая статья про статические и динамические библиотеки.