| Het creëren van een programma dat een ander programma als invoer accepteert en een binair uitvoerbaar bestand als uitvoer genereert, is een complexe taak, die verschillende geavanceerde gebieden van de informatica omvat. Er zijn geen enkele, direct verkrijgbare programma's die dit op een algemene manier doen, omdat het proces sterk afhankelijk is van de taal van het invoerprogramma, de doelarchitectuur en de gewenste functionaliteit. In plaats daarvan is het een verzameling hulpmiddelen en technieken. Hier is een overzicht van de ongelooflijk ingewikkelde aspecten die hierbij betrokken zijn:
1. Broncodeanalyse en parsering:
* Taalspecifieke parsering: Het invoerprogramma kan in elke taal worden geschreven (C, C++, Java, Python, Rust, etc.). Elke taal heeft zijn eigen syntaxis en semantiek, waardoor een speciale parser nodig is om de structuur van de code te begrijpen. Dit omvat lexicale analyse (code opsplitsen in tokens), syntaxisanalyse (het creëren van een ontleedboom) en semantische analyse (de betekenis van de code begrijpen). Robuust parseren is cruciaal voor het verwerken van complexe codestructuren, inclusief macro's, sjablonen en voorwaardelijke compilatie.
* Generering van abstracte syntaxisboom (AST): Parsers genereren doorgaans een AST, een boomachtige weergave van de programmastructuur. Deze AST is een belangrijke tussenrepresentatie die in de volgende stappen wordt gebruikt.
* Controlestroom en gegevensstroomanalyse: Het begrijpen van de controlestroom van het programma (hoe de uitvoering tussen verschillende delen van de code springt) en de gegevensstroom (hoe gegevens worden gebruikt en gewijzigd) is essentieel voor optimalisatie en het genereren van code. Dit omvat algoritmen zoals het bereiken van definities, live variabelenanalyse en controlestroomgrafieken.
2. Intermediate Representation (IR) Generatie:
* Vertaling naar een gemeenschappelijke IR: De AST wordt vaak vertaald in een tussenrepresentatie op een lager niveau. Veel voorkomende IR's zijn LLVM IR, code met drie adressen of aangepaste IR's. De IR biedt een platformonafhankelijke weergave die het eenvoudiger maakt om optimalisaties uit te voeren en zich op verschillende architecturen te richten.
3. Optimalisatie:
* Optimalisaties op hoog niveau: Deze optimalisaties werken op de IR en zijn bedoeld om de prestaties van het programma te verbeteren zonder de semantiek ervan te veranderen. Voorbeelden hiervan zijn onder meer constant vouwen, eliminatie van dode codes, inlining, lusafrollen en verschillende vormen van codebeweging.
* Optimalisaties op laag niveau: Deze zijn gericht op het genereren van efficiëntere machinecode. Technieken omvatten registertoewijzing, instructieplanning en codeverdichting.
4. Codegeneratie:
* Doelspecifieke code genereren: De geoptimaliseerde IR wordt vervolgens vertaald naar machinecode die specifiek is voor de doelarchitectuur (x86, ARM, RISC-V, enz.). Dit omvat het toewijzen van IR-instructies aan machine-instructies, het verwerken van registers en geheugenbeheer.
* Linker-integratie: De gegenereerde machinecode wordt gewoonlijk samengevoegd tot objectbestanden, die vervolgens aan andere objectbestanden (zoals standaardbibliotheken) worden gekoppeld om een uiteindelijk uitvoerbaar bestand te produceren. De linker lost symbolen op, handelt de verplaatsing af en creëert het uiteindelijke uitvoerbare bestand.
5. Compilerconstructietools en -frameworks:
* Lexers en parsersgeneratoren: Tools zoals Lex/Flex en Yacc/Bison worden gebruikt om het maken van lexers en parsers te automatiseren.
* LLVM-compilerinfrastructuur: LLVM biedt een uitgebreid raamwerk voor het bouwen van compilers, waaronder een IR, een optimizer en codegeneratoren voor verschillende architecturen.
Voorbeelden van complexe scenario's:
* Een programma samenstellen dat gebruik maakt van dynamisch linken: Dit vereist het omgaan met de complexiteit van gedeelde bibliotheken en runtime-koppelingen.
* Een programma compileren dat Just-in-Time (JIT)-compilatie gebruikt: Dit omvat het genereren van code tijdens runtime en vereist geavanceerd runtimebeheer.
* Een programma samenstellen dat gelijktijdigheid gebruikt (threads of processen): Dit vereist een zorgvuldige omgang met synchronisatieprimitieven en gelijktijdigheidsproblemen.
* Cross-compilatie: Het compileren van een programma voor een andere architectuur dan waarop de compiler draait.
Kortom, het bouwen van een systeem dat een willekeurig programma als invoer neemt en een binair uitvoerbaar bestand genereert, is een monumentale onderneming, die expertise vereist op het gebied van compilerontwerp, programmeertaaltheorie en computerarchitectuur. Bestaande compilers zoals GCC en Clang zijn hier al ongelooflijk complexe voorbeelden van, en ze zijn zeer gespecialiseerd in hun ondersteunde talen en architecturen. Het creëren van een werkelijk universele versie zou een enorm onderzoeksproject zijn. |
