16. Конструирование модулей

ВВЕДЕНИЕ

Эта обучающая серия обещает стать возможно одной из самых долгоиграющих мини-серий в истории, конкурирующей только с задержкой на Томе IV Кнута. Начатая в 1988, эта серия вошла в четырехлетнюю паузу в 1990, когда "заботы мира сего", изменения в приоритетах и интересах и необходимость зарабатывать на жизнь казалось забросили ее после Главы 14. Долготерпевшие из вас были наконец вознаграждены весной прошлого года долгожданной Главой 15. В ней я начал попытку поставить серию обратно на рельсы и по ходу дела сделать ее проще для достижения цели, которая состоит в том, чтобы обеспечить вас не только достаточным пониманием трудных тем теории компиляции, но также достаточными инструментами в виде фиксированных подпрограмм и концепций, так чтобы вы были способны продолжать самостоятельно и стали достаточно опытными для того, чтобы создавать свои собственные синтаксические анализаторы и трансляторы. Из-за этой длинной паузы я подумал что следует вернуться назад и повторно рассмотреть концепции, которые мы до этого охватили а также заново сделать некоторые части программы. В прошлом мы никогда сильно не касались разработки программных инструментов промышленного качества... в конце концов я пытался обучать (и обучаться) концепциям, а не промышленной практике. Чтобы сделать это я старался давать вам не законченные компиляторы и анализаторы, а только те отрывки кода, которые иллюстрировали частные случаи, которые мы рассматривали в текущий момент.

Я все еще верю, что это хороший способ изучения любого вопроса; никто не захочет вносить в изменения в программу в 1 00,000 строк только для того чтобы попробовать новую идею. Но идея работы с обрывками кода а не полными программами также имеет свои недостатки из-за которых мы писали те же самые фрагменты кода много раз. Хотя было полностью доказано, что повторение является хорошим способом обучения новым идеям, также правда и то, что оно может быть не слишком хорошей вещью. Ко времени, когда я завершил Главу 1 4, я казалось достиг пределов своих способностей манипулировать множеством файлов и множественными версиями тех же самых программ. Кто знает, может быть это одна из причин, по которым я кажется выдохся в то время.

К счастью, более поздние версии Borland Turbo Pascal позволяют нам получить и съесть свой кусок пирога. Используя их концепцию раздельно компилируемых модулей мы все еще можем писать маленькие подпрограммы и функции и сохранять наши основные и тестовые программы маленькими и простыми. Но, однажды написанный, код в модулях Паскаля будет всегда там для нашего использования и его связывание абсолютно безболезненно и прозрачно.

Так как к настоящему времени большинство из вас программируют на C или C++, я знаю, что вы подумаете: Borland с их Turbo Pascal конечно не изобретали понятие раздельно компилируемых модулей. И, конечно, вы правы. Но если вы не использовали TP в последнее время или когда либо, вы можете не понять насколько безболезненный весь этот процесс. Даже в C или C++ вы все еще должны формировать make файл, или вручную, или сообщая компилятору как это сделать. Вы должны также перечислить, используя утверждение "extern" или заголовочные файлы, функции, которые вы хотите импортировать. В TP вы не должны даже делать этого. Вам необходимы только имена модулей, которые вы желаете использовать, и все их процедуры автоматически становятся доступны.

У меня нет намерения заниматься здесь дебатами на тему войн языков, так что я не буду затрагивать эту тему в дальнейшем. Даже я больше не использую Pascal в своей

работе... я использую C на работе и С++ для своих статей в Embedded Systems Programming и других журналах. Поверьте мне, когда я намеревался возродить эту серию, я думал долго и интенсивно о переключении и языка и целевой системы на те, которые мы все используем в эти дни, C/C++ и архитектуру PC и возможно также и объектно-ориентированные методы. В конце концов я понял, что это вызовет больше беспорядка, чем сам перерыв. И в конце концов, Pascal все еще остается одним из лучших возможных языков для обучения, не говоря о промышленном программировании. Наконец, TP все еще компилирует на скорости света, гораздо быстрее чем конкурирующие C/C++ компиляторы. А интеллектуальный компоновщик Borland, использованный в TP но не в их продуктах C++ не имеет аналогов. Кроме того, что он намного быстрее, чем Microsoft-совместимые компоновщики, Borland-овский интеллектульный компоновщик отберет неиспользуемые процедуры и элементы данных даже вплоть до вырезания их из определенных объектов если они не нужны. Один из редких моментов нашей жизни, когда мы не должны идти на компромисс между полнотой и эффективностью. Когда мы пишем модуль TP мы можем сделать его настолько полным как нам нравится, включая любые функции и элементы данных которые, как мы думаем, могут нам когда-либо понадобиться, уверенные, что это не будет создавать ненужного раздутия кода в откомпилированной выполнимой программе.

Главное в действительности в следующем: используя механизм модулей TP мы можем иметь все преимущества и удобства написания маленьких, на вид автономных тестовых программ, без необходимости постоянно переписывать необходимые функции поддержки. Однажды написанные, модули TP сидят там, тихонько ожидая возможности выполнить свой долг и дать нам необходимую поддержку, когда будет необходимо.

Используя этот принцип, в Главе 1 5 я намеревался минимизировать нашу тенденцию заново изобретать колесо, организуя наш код в отдельные модули Turbo Pascal, каждый из которых содержит различные части компилятора. Мы завершили со следующими модулями:

• Input

• Output

• Errors

• Scanner

• Parser

• CodeGen

Каждый из этих модулей обслуживает разные функции и изолирует специфические области функциональных возможностей. Модули Input и Output, как подразумевают их имена, обеспечивают ввод/вывод символьного потока и важнейший предсказывающий символ, на котором основан наш предсказывающий синтаксический анализатор. Модуль Errors конечно обеспечивает стандартную обработку ошибок. Модуль Scanner содержит все наши булевы функции типа IsAlpha и подпрограммы GetName и GetNumber, которые обрабатывают многосимвольные токены.

Два модуля, с которыми мы будем в основном работать и те, которые больше всего представляют индивидуальность нашего компилятора - это Parser и CodeGen. Теоретически модуль Parser должен изолировать все аспекты компилятора, которые зависят от синтаксиса компилируемого языка (хотя, как мы видели последний раз, небольшое количество этого синтаксиса перетекает в Scanner). Аналогично, модуль генератора кода, CodeGen, содержит весь код, зависящий от целевой машины. В этой главе мы продолжим разработку функций в этих двух важнейших модулях.

СОВСЕМ КАК КЛАССИЧЕСКИЙ?

Прежде чем мы продолжим, однако, я думаю что должен разъяснить связи между модулями и функциональные возможности этих модулей. Те из вас, кто знаком с теорией компиляции как обучавшиеся в университетах, конечно распознают имена Scanner, Parser и CodeGen, все из которых являются компонентами классической реализации компилятора. Вы можете думать, что я отказался от своих обязательств по отношению к философии KISS и отдрейфовал к более стандартной архитектуре чем мы имели. Более пристальный взгляд, однако, должен убедить вас, что хотя имена схожи, функциональность совершенно различна.

Вместе, сканер и парсер классической реализации составляют так называемый "front end", а генератор кода "back end". Подпрограммы "front end" обрабатывают языкозависимые, связанные с синтаксисом аспекты исходного языка, в то время как генератор кода, или "back end", работает с зависимыми от целевой машины частями проблемы. В классических компиляторах два конца (ends) сообщаются через файл инструкций, написанный на промежуточном языке (IL).

Как правило, классический сканер это одиночная процедура, оперирующая как сопроцедура с синтаксическим анализатором. Она "токенизирует" исходный файл, считывая его символ за символом, распознавая элементы языка, транслируя их в токены и передавая их синтаксическому анализатору. Вы можете думать о синтаксическом анализаторе как об абстрактной машине, выполняющей "op кода", которыми являются токены. Точно также, синтаксический анализатор генерирует "op кода" второй абстрактной машины, которая механизирует IL. Как правило, IL файл записывается на диск синтаксическим анализатором и считывается снова генератором кода.

Наша организация совершенно другая. Мы не имеем лексического анализатора в классическом смысле; наш модуль Scanner, хотя и имеет схожее имя, не является одиночной процедурой или сопроцедурой, а просто набором раздельных подпрограмм, которые вызываются синтаксическим анализатором когда необходимо.

Аналогично, классический генератор кода, "back end", в своем роде тоже транслятор, считывающий "исходный" IL файл и выдающий объектный файл. Наш генератор кода не работает таким способом. В нашем компиляторе нет никакого промежуточного языка; каждая конструкция в синтаксисе исходного языка преобразуется в ассемблер как только она распознана синтаксическим анализатором. Подобно Scanner, модуль CodeGen состоит из индивидуальных процедур, которые вызываются синтаксическим анализатором когда необходимо.

Философия "кодируй как только найдешь" не может производить самый эффективный код в мире - например, мы не обеспечили (пока!) удобное место для оптимизатора - но она несомненно упрощает компилятор, не правда ли?

И этот наблюдение заставляет меня повторить снова то, как нам удавалось сводить функции компилятора к таким сравнительно простым условиям. Я набрался красноречивости на эту тему в прошлых главах, поэтому здесь я не буду слишком ее трогать. Однако, из-за времени, прошедшего с этих последних монологов, я надеюсь что вы предоставите мне совсем немного времени напомнить себе, так же как и вам, как мы попали сюда. Мы дошли до этого применяя несколько принципов, которые создатели коммерческих компилятором редко имеют роскошь использовать. Вот они: