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Revisão Compiladores – AP1

Prof. Alexandre MonteiroBaseado em material cedido pelo Prof. Euclides

Arcoverde

Recife

Contatos Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo Apelido: Alexandre Cordel E-mail/gtalk: alexandrecordel@gmail.com

greinaldo@fbv.edu.br Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv Celular: (81) 9801-1878

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Objetivo O principal objetivo é responder à seguinte pergunta:

• Como criar uma linguagem computacional?

Para responder a pergunta, estudaremos:• Como especificar uma linguagem• Como construir um compilador para ela

História das Linguagens

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História das Linguagens Começaram a surgir outras linguagens

mais elaboradas• Fortran (1957)• LISP (1959)• COBOL (1960)• BASIC (1964)• C (1972)• etc.

Linguagens de Alto Nível

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Linguagens de Alto Nível O nome “alto nível” tem o sentido de

“alto nível de abstração”, pois essas linguagens abstraem detalhes operacionais pouco relevantes• Assim, o programador pode (tenta) focar só no

algoritmo

Veremos agora dois exemplos para comparar as linguagens de nível alto e baixo

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Exemplo em Baixo Nível

Programa Hello World em assembly x86DOSSEG.MODEL SMALL.DATA Msg db "Hello World.",13,10,"$".CODEStart: mov AX, @DATA mov DS, AX lea DX, Msg mov AH, 9 int 21h mov ah, 4ch int 21hEND Start

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Exemplo em Alto Nível

Programa Hello World em C

#include <stdio.h>

int main() { printf(“Hello World”); return 0;}

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Linguagens de Baixo Nível Características gerais

• Dependentes de arquitetura

• Oferecem instruções primitivas simples (operações sobre o hardware)

• Programas extensos e pouco legíveis

• Visam oferecer mais controle sobre o hardware

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Linguagens de Alto Nível Características gerais

• Especificadas independentemente de qualquer arquitetura

• Oferecem comandos mais intuitivos- Dizem mais “o que” deve ser feito do que

“como” deve ser feito

• Mais fácil de programar e de ler códigos prontos

• Restringem o uso do hardware para evitar bugs- Controle da alocação de memória em Java

Introdução a Compiladores

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Compilação x Interpretação Compilação

Interpretação

compilaçãocódigofonte

códigode

máquina

execuçãoresultados

interpretaçãocódigofonte resultados

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O que é um Compilador? Um compilador é um programa que lê um

programa escrito em uma linguagem (linguagem fonte) e a traduz em um programa equivalente em outra linguagem (linguagem alvo). Aho, Sethi, Ullman.

CompiladorProgramaFonte

ProgramaObjeto

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O que é um Compilador? Nesse processo de tradução, há duas

tarefas básicas a serem executadas por um compilador:• análise, em que o texto de entrada (na

linguagem fonte) é examinado, verificado e compreendido

• síntese, ou geração de código, em que o texto de saída (na linguagem objeto) é gerado, de forma a corresponder ao texto de entrada

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O que é um Compilador? A fase de análise normalmente se subdivide

em análise léxica, análise sintática e análise semântica

É possível representar completamente a sintaxe de uma LP através de uma gramática sensível ao contexto

Mas como não existem algoritmos práticos para tratar essas gramáticas, a preferência recai em usar gramáticas livres de contexto

Deixa-se para a análise semântica a verificação de todos os aspectos da linguagens que não se consegue exprimir de forma simples usando gramáticas livres de contexto

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O que é um Compilador? A implementação de reconhecedores de

linguagens regulares (autômatos finitos) é mais simples e mais eficiente do que a implementação de reconhecedores de linguagens livres de contexto (autômatos de pilha)

Nesse caso, é possível usar expressões regulares para descrever a estrutura de componentes básicos das LP, tais como identificadores, palavras reservadas, literais numéricos, operadores e delimitadores, etc.

Essa parte da tarefa de análise (análise léxica) é implementada separadamente, pela simulação de autômatos finitos

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O que é um Compilador? Um dos modelos possíveis para a construção

de compiladores faz a separação total entre o front-end, encarregado da fase de análise, e o back-end, encarregado da geração de código, de forma que:• O front-end e back-end se comunicam apenas através de uma representação intermediária

• O front-end depende exclusivamente da linguagem fonte

• O back-end depende exclusivamente da linguagem objeto

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Etapas da Compilação

Front-End(Análise)

Back-End(Síntese)

Análise Léxica

Análise Sintática

Analise Semântica

Geração de CódigoIntermediário

Geração de CódigoFinal

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O que é um Compilador? Um compilador típico consiste de algumas

fases onde cada uma passa sua saída para as fases seguintes

As principais fases são:• análise léxica (ou scanner)• análise sintática (ou parser)• análise semântica• otimização• gerador de código• otimização (novamente!)

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Fases da Compilação

Programa Fonte

Analisador Léxico

Analisador Sintático eSemântico

Gerador de CódigoIntermediário

Otimizador de Código

Gerador de código

Manipulador de erros

Tabela deSímbolos

Programa Objeto

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Análise Léxica Também chamada de scanner Agrupa caracteres em símbolos (ou tokens)

• Token: <nome-token, valor-atributo> Entrada: fluxo de caracteres Saída: fluxo de símbolos Símbolos são:

• Palavras reservadas, identificadores de variáveis e procedimentos, operadores, pontuação, etc.

Expressões regulares usadas para reconhecimento

Scanner é implementado como uma MEF (Método dos Elementos Finitos)

Lex/Flex (J) são ferramentas para gerar scanners

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Análise Léxica Por exemplo, os caracteres na instrução

de atribuiçãoposition = initial + rate * 60

seriam agrupados nos seguintes tokens:• O identificador position• O símbolo de atribuição =• O identificador initial• O símbolo de adição +• O identificador rate• O símbolo de multiplicação *• O número 60

<id, 1> <=> <id, 2> <+> <id, 3> <*> <60>

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Análise Sintática Também chamada de parser Agrupa símbolos em unidades sintáticas

• Ex.: os 3 símbolos A+B podem ser agrupados em uma estrutura chamada de expressão

Expressões depois podem ser agrupados para formar comandos ou outras unidades

Saída: representação de árvore sintática do programa

Gramática livre de contexto é usada para definir a estrutura do programa reconhecida por um parser

Yacc/Bison (J) são ferramentas para gerar parsers

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Análise Sintática Regras sintáticas (1)

• Qualquer identificador é uma expressão• Qualquer número é uma expressão• Se expressão1 e expressão2 são expressões,

então também são expressões- expressão1 + expressão2- expressão1 * expressão2- ( expressão1 )

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Análise Sintática Regras sintáticas (2)

• Se identificador1 é um identificador e expressão2 é uma expressão, então identificador1 = expressão2é um comando (statement)

• Se expressão1 é uma expressão e statement2 é um comando (statement), então

while ( expressão1 ) { statement2 }if ( expressão1 ) { statement2 }

são comandos (statements)

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Análise Sintática

position = initial + rate * 60

initial

rate

*

+

=

position

60

comando de atribuição

identificador expressão

expressão expressão

expressãoidentificador

identificador

expressão

número

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Gerador de Código Intermediário Usa as estruturas produzidas pelo

analisador sintático e verificadas pelo analisador semântico para criar uma sequência de instruções simples (código intermediário)

Está entre a linguagem de alto nível e a linguagem de baixo nível

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Gerador de Código Intermediário Considere que temos um único

registrador acumulador Considere o comando de atribuiçãox := a + b * cpode ser traduzido em:

t1 := b * ct2 := a + t1x := t2

Pode-se fazer um gerador de código relativamente simples usando regras como:

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Gerador de Código Intermediário

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Gerador de Código Intermediário O comando de atribuiçãox := a + b * c

Gera o códigoLoad b { t1 := b * c }Mult cStore t1Load a { t2 := a + t1 }Add t1Store t2Load t2 { x := t2 }Store x

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Otimizador de Código Independente da máquina Melhora o código intermediário de modo

que o programa objeto seja menor (ocupe menos espaço de memória) e/ou mais rápido (tenha tempo de execução menor)

A saída do otimizador de código é um novo código intermediário

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Otimizador de Código

Otimizador por sub-expressões comuns

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Gerador de Código Produz o código objeto final Toma decisões com relação à:

• Alocação de espaço para os dados do programa;

• Seleção da forma de acessá-los• Definição de quais registradores serão usados,

etc. Projetar um gerador de código que

produza programas objeto eficientes é uma das tarefas mais difíceis no projeto de um compilador

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Gerador de Código Várias considerações têm que ser feitas:

• Há vários tipos de instruções correspondendo a vários tipos de dados e a vários modos de endereçamento

• Há instruções de soma específicas, por exemplo para incrementar/decrementar de 1

• Algumas somas não foram especificadas explicitamente

- Cálculo de endereço de posições em vetores• Incremento/decremento registrador de topo

pilha• Local onde armazenar variáveis• Alocação de registradores

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Gerador de Códigotemp1 = id3 * 60.0id1 = id2 + temp1

MOVF id3, R2MULF #60.0, R2MOVF id2, R1ADDF R2, R1MOVF R1, id1

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Tabela de Símbolos É uma estrutura de dados usada

para guardar informações a respeito de todos os nomes usados pelo programa e registrar informações importantes associadas a cada um, tais como seu tipo (inteiro, real, etc.), tamanho, escopo, etc.

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Manipulador de Erros É ativado sempre que for detectado um

erro no programa fonte Deve avisar o programador da ocorrência

do erro emitindo uma mensagem, e ajustar-se novamente à informação sendo passada de fase a fase de modo a poder completar o processo de compilação• Mesmo que não seja mais possível gerar

código objeto, a análise léxica e sintática deve prosseguir até o fim

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Bibliografia AHO, A., LAM, M. S., SETHI, R., ULLMAN, J. D.,

Compiladores: princípios, técnicas e ferramentas. Ed. Addison Wesley. 2a Edição, 2008 (Capítulo 1)

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Adiantando... Lexema: sequência de caracteres com

significado interligado Token: classificação dada ao lexema

• Geralmente retornado junto com o próprio lexema ou outro atributo, como um ponteiro

Padrão: é uma descrição da forma que os lexemas de um token podem tomar. •Ex. sequência de caracteres que formam palavra-chave como um token.

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Exemplos

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Especificando Tokens Geralmente são especificados com expressões

regulares

Cada token é associado a uma expressão regular que representa seus lexemas válidos• Padrão que representa várias palavras (dizemos que as palavras “casam” com o padrão)

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Especificando Tokens

Expressões Regulares• Formalismo utilizado para definir o conjunto de

aceitação de uma linguagem• Principais operadores utilizados pelas ERs

Expressão Reconhece ε A cadeia de caractedes vazia “” “str” A string “str” A | B Todas as cadeias reconhecidas por A ou B A . B Cadeias formadas pela concatenação das

cadeias reconhecidas por A e B A+ Reconhece cadeias formadas pela

concatenação de um número finito de cadeias reconhecidas por A

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Especificando Tokens

Operadores derivadosExpressão Equivale a

( A ) Agrupamento de operadores A* A+ | ε A? A | ε [A-Z] A | B | ... | Y | Z A{N} A . A . A ... } N vezes A{M,N} A . A . A ... } entre M e N vezes AB A . B abc String “abc”

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Especificando Tokens Exercícios

• Defina expressões para expressar:- Número IP: \d{3}.\d{3} .\d{3} .\d{3}- Números naturais (e inteiros): \d{n} ou [0-9]{n}- Números de telefone (com DDD opcional): \([0-9]{2}\).[0-9]{4}.

[0-9]{4}- Horas: [012]\d:[0-5]\d- E-mails: [a-zA-Z0-9\._-]@[A-Za-z]+\\.[A-Za-z]+- Placa de Carro: [A-Z]{3}-\d{4}- CEP: \d{5}-\d{3} ou \d\d\d\d\d- URLs:

- Com http - (http|https)://([\w-]+\.)+[\w-]+(/[\w- ./?%&=]*)?

- Sem http - ([\w-]+\.)+[\w-]+(/[\w- ./?%&=]*)?

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Análise Sintática Alguns autores consideram que a análise sintática

envolve tudo que diz respeito à verificação do formato do código fonte

• Inclui a análise léxica como subfase

• Visão mais coerente, porém o livro texto que usamos tem outra visão...

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Análise Sintática Entenderemos análise sintática como

sendo apenas a segunda fase dessa verificação de formato:

• “É a fase que analisa os tokens para descobrir a estrutura gramatical do código fonte”

• Também chamada “Reconhecimento” (Parsing)

• Porém, um nome melhor seria “Análise Gramatical”

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Gramáticas São usadas para organizar os tokens em “frases” de

sentido lógico

Definem regras de formação recursivas

expressão → CTE_INT | ID | expressão + expressão

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Gramáticas As gramáticas livres de contexto possuem quatro

elementos:

• Símbolos terminais• Símbolos não-terminais • Símbolo inicial• Produções! ou Regras de Produção!

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Gramáticas Elementos das gramáticas livres de contexto:

• Símbolos terminais: - Símbolos assumidos como atômicos, indivisíveis- Em compiladores, são os tokens (int, +, -, /, identificador,

valores literais, etc)

• Símbolos não-terminais: - Usados para organizar os tokens em “frases”- Representam elementos abstratos do programa (expressões,

termos, etc)

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Gramáticas Elementos das gramáticas livres de

contexto:

• Símbolo inicial: - Não-terminal a partir do qual são derivadas

“cadeias” de símbolos terminais- Geralmente é um não-terminal chamado programa

• Produções: - São as regras de formação - Definem as “frases” de terminais válidas na

linguagem

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Derivação Seja a gramática BNF anterior

• Derivar a cadeia “i+i+x”

• Consideremos que esta é uma derivação mais à esquerda

<expressao>Þ <termo> + <expressao>Þ i + <expressao>Þ i + <termo> + <expressao>Þ i + i + <expressao>Þ i + i + <termo>Þ i + i + x

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Derivação Seja a gramática BNF mostrada antes

• Agora a Derivação mais à direita da cadeia “i+i+x”

<expressao>Þ <termo> + <expressao> Þ <termo> + <termo> + <expressao>Þ <termo> + <termo> + <termo>Þ <termo> + <termo> + xÞ <termo> + i + xÞ i + i + x

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Derivação O processo de derivação consiste em

substituir cada ocorrência de um não-terminal pelo lado direito (corpo) de alguma de suas produções• Derivação mais à esquerda: substituir sempre

o não-terminal mais à esquerda• Derivação mais à direita: análogo

A derivação pára quando sobrarem apenas terminais e o resultado é a cadeia

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Árvore de Derivação

A árvore dos exemplos anteriores

expressao

expressao

i

+

i

+

x

termo

termo expressao

a cadeia gerada pode ser percebida nas folhas, analisando-as da esquerda para a

direita

termo

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Árvore de Derivação

A mesma árvore reorganizada

expressao

expressao

i + i + x

termo

termo expressao

a seqüência de terminais (cadeia) gerada

termo

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Gramáticas Ambíguas Uma gramática é dita ambígua se ela puder gerar

duas árvores de derivação distintas para uma mesma cadeia

Veremos uma gramática equivalente à anterior, porém ambígua...

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Gramáticas Ambíguas Exemplo

• Mostrar duas árvores de derivação para “i+i+x”

<expressao> ::= <expressao> "+" <expressao> | "x" | "i"

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Gramáticas Ambíguas Gramáticas ambíguas são, em geral, inadequadas

para uso em compiladores• Dificultam a construção do analisador sintático

Em alguns casos, são usadas gramáticas ambíguas junto com restrições adicionais• Exemplo: precedência e associatividade

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Tratando Ambiguidades A seguinte de definição de comando apresenta

ambigüidade

Exemplo: “if (x) if (x) outro else outro”• A qual “if” está ligado o “else”?

cmd ::= if ( expr ) cmd else cmd | if ( expr ) cmd | outro

expr ::= x

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Tratando Ambiguidades Solução

cmd ::= matched-cmd | open-cmd

matched-cmd ::= | if ( expr ) matched-cmd else matched-cmd | outro

open-cmd ::= | if ( expr ) cmd | if ( expr ) matched-cmd else open-cmd

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Análise de Descida Recursiva É uma análise sintática top-down ou

descendente

É um parser LL(1)• Left-to-right – a ordem de leitura dos tokens é

da esquerda para a direita

• Leftmost derivation – segue a ordem típica de uma derivação mais à esquerda

• Só olha 1 token por vez

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Análise de Descida Recursiva É útil para construir parsers manualmente, por

ser fácil de implementar Princípio Básico

• Se eu quero produzir um não-terminal e sei qual o terminal corrente eu devo saber que regra deve ser aplicada.

Porém, requer uma gramática muito bem ajustada

• Veremos os ajustes necessários Mostraremos como usar a técnica, assumindo

que o parser final será uma classe Java

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Exemplo de Reconhecedor Gramática:Terminais = {a,b,c}Não-terminais = {S, X}Produções = {

S a X bS b X aS cX b XX a

}Não-terminal inicial = S

a b cS a X

bb X a c

X a b X Error

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Conjunto FIRST FIRST(α)

• Aplicado a cadeias α quaisquer

É o conjunto de terminais que podem iniciar a cadeia α dada• Se a cadeia derivar vazio, também inclui ε

Como calcular?

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Conjunto FIRST Se α for a cadeia vazia (α = ε)

• FIRST(ε) = { ε }

Se for um terminal a qualquer• FIRST(a) = { a }

Se for um não-terminal N com as produções N → α | β• FIRST(N) = FIRST(α) FIRST(β)

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Conjunto FIRST Se for uma cadeia de símbolos α =

X1X2...Xk • Depende de X1

Se X1 não pode gerar vazio• FIRST (X1X2...Xk) = FIRST(X1)

Se X1 pode gerar vazio• FIRST (X1X2...Xk) = FIRST(X1)

FIRST(X2...Xk)• Calcula para X1 e continua o cálculo

recursivamente para o restante da cadeia

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Múltiplas Produções Calculando o FIRST para as duas produções de

comando ...• comando ::= atribuição | declaração

FIRST(atribuição) = FIRST(IDENTIFICADOR = <expressao> ;) = { IDENTIFICADOR }

FIRST(declaração) = FIRST(tipo IDENTIFICADOR ;) = FIRST(tipo) = { int , char, float }

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Eliminação de Fatoração Direta:

X a b cX a d e

Sem fatoração:X a YY b cY d e

IndiretaX a bX Y cY a d

Elimina-se a indireção:X a bX a d cY a d

Sem fatoração:X a ZY a dZ bZ d c