Semantica statica e dinamica

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1 Semantica statica e dinamica Fasi di compilazione Programma sorgente Analisi lessicale front end Analisi sintattica Tabella dei simboli Analisi semantica Generatore di codice intermedio Ottimizzatore Generatore di codice error handler back end Programma target 1

2 Controlli semantici Congruenza fra le dichiarazioni delle entità e il loro impiego nelle istruzioni Rispetto delle regole che governano i tipi degli operandi nelle espressioni e negli assegnamenti Correttezza delle strutture di controllo del linguaggio Rispetto delle regole di visibilità e unicità degli identificatori Rispetto delle regole di importazione ed esportazione degli oggetti Type Checking Un compilatore esegue le verifiche semantiche oltre che le verifiche sintattiche. Semantica Statica le verifiche semantiche vanno eseguite durante la compilazione Dinamica le verifiche sono eseguite a run-time Type checking è uno delle operazioni di checking statico. non possiamo fare tutti I type checking a compile-time. Alcuni sistemi usano anche dynamic type checking. 2

3 Type Checking Un type system è una collezione di regole per assegnare una espressione di tipo ad una parte di programmi Un type checker implementa un type system. Un sound type system elimina gli errori di tipo. Un linguaggio di programmazione e detto stronglytyped, se ogni programma è compilato solo se privo di errori di tipo. In pratica, alcune operazioni di type checking sono fatti a run-time (la maggioranza dei programmi non è strongly-typed). Esempi int x[100]; x[i] la maggioranza dei compilatori non garantiscono che i [0.. 99] Type Expression Il tipo si un costrutto di un linguaggio è denotato dal type expression. Una type expression può essere: basic type Un tipo primitivo, int, float, type-error per segnalare un errore di tipo void type name Un nome che denota il tipo di una espressione 3

4 Type Expression Un costruttore applicato ad altri type expressions arrays: se T è un type expression, allora array(i,t) è un type expression dove I rappresenta il range degli indici: esempio array(0..99,int) products: se T 1 e T 2 sono type expressions, allora il prodotto cartesiano T 1 x T 2 è un type expression. esempio: int x int pointers: se T è una type expression, allora pointer(t) è una type expression. esempio: pointer(int) functions: possiamo trattare funzioni in un linguaggio di programmazione come il mapping da un domain type D ad un range type R. Cosi, il tipo di una funzione puop essere raappresentato dal type expression D R dovee D e R sono type expressions. Esempio: int int reppresenta un tipo di uns funzione che prende come parametro un calore int e tiporrna un valore int. L attributo type È un attributo sintetizzato È associato alle dichiarazioni di tipo, espressioni e descrive il tipo dell entità considerata Azioni semantiche o condizioni 4

5 Un semplice Type Checking System P D;E D D;D D T id { addtype(id.entry,t.type) } T char { T.type=char } T int { T.type=int } T float { T.type=float } T *T 1 { T.type=pointer(T 1.type) } T T 1 [intnum] {T.type=array(0..intnum- 1.val,T 1.type)} Type Checking di espressione E id { E.type=lookup(id.entry) } E charliteral { E.type=char } E intliteral { E.type=int } E realliteral { E.type=real } E E 1 + E 2 { if (E 1.type=int and E 2.type=int) E.type=int else if (E 1.type=int and E 2.type=real) E.type=real else if (E 1.type=real and E 2.type=int) E.type=real else if (E 1.type=real and E 2.type=real) E.type=real else E.type=type-error } 5

6 Type Checking di istruzioni S id = E S.type_error=false { if (id.type=e.type) then else S. type-error = true } S if (E ) S 1 { if (E.type=int ) then S.type_error=S1.type_error else S.type_error=true} S while (E ) S 1 =S 1.type_error S id (A) { if (E.type=int) then S.type_error else S..type-error =true } S.type_error(confronta (A,get(id)) Type Checking di funzioni E E 1 ( E 2 ) { if (E 2.type=s and E 1.type=s t) then E.type=t else E.type=type-error } Ex: int f(double x, char y) {... } f: double x char int argument types return type 6

7 Equivalenza strutturale di Type Expressions Come verificare che due type expression sono uguali? type expressions sono costruiti dai tipi base e (no type names), possiamo utilizzare equivalenza strutturale per due type expressions Equivalenza strutturale di Type Expressions if (s and t sono dello stesso tipo base) return true else if (s=array(s 1,s 2 ) and t=array(t 1,t 2 )) return (sequiv(s 1,t 1 ) and sequiv(s 2,t 2 )) else if (s = s 1 x s 2 and t = t 1 x t 2 ) return (sequiv(s 1,t 1 ) and sequiv(s 2,t 2 )) else if (s=pointer(s 1 ) and t=pointer(t 1 )) return (sequiv(s 1,t 1 )) else if (s = s 1 s 2 and t = t 1 t 2 ) return (sequiv(s 1,t 1 ) and sequiv(s 2,t 2 )) else return false 7

8 Names per Type Expressions In alcuni linguaggi di programmazione noi diamo un nome ad type expression, e utilizziamo il type expression. typedef link = *cell; p,q,r,s sono dello stesso tipo? link p,q; *cell r,s; Definizione ricorsive di Type Expressions typedef *cell link; typedef struct S{ int x; link next; }cell Non è possibile utilizzare equivalenza strutturale se ci sono cicli Il nome del tipo deve essere utilizzato come un tipo base 8

9 Conversioni di tipi double x; int y; x + y quale è il tipo di questa espressione (int o double)? Quale codice produce? inttofloat float+ y,,t1 t1,x,t2 Azioni di controllo L attributo scope rappresenta l insieme di tutte le coppie che definiscono gli identificatori visibili in quel contesto Sintassi S while (E) S 1 Condizioni Azioni di controllo if (E.type=int then S.type=S 1.type else S.type=type-error E.scope = S.scope S 1.,scope = S.scope 9

10 S id = E Condizioni Azioni di controllo if (id.type=e.type then S.type=void else S.type=type-error E.scope = S.scope id. scope = S.scope S if (E) S 1 Condizioni Azioni di controllo if (E.type=int then S.type=S 1.type else S.type=type-error E.scope = S.scope S 1.,scope = S.scope Visibilità e unicità degli identificatori P { Blocco } Blocco LD LI Blocco.scope = P.scope P.oldscope = Blocco.oldscope LI.scope = Blocco.oldscope I.LD Blocco.corr= if (I.LD in Blocco.oldscope) false else Blocco.corr = LI.corr LD LD 1 D LD.scope = LD 1.scope I.LD = I.D LD ε LD.scope = {} D T id I.D = id LI LI Is LI ε Is id = E 10

11 Generazione di codice intermedio Intermediate Code Generation Il codice intermedio sono indipendenti dal linguaggio macchina ma sono legati alle istruzioni macchine. Il programma viene tradotto dal linguaggio sogente in un programma equivalente in un linguaggio intermedio dal generarore di codice intermedio. Come linguaggio intermedio possono essere utilizzati diversi linguaggi: L albero sintattico Una notazione postfissa postfix notation can be used as an intermediate language. three-address code (4-uple) Noi utilizzaremo un linguaggio costituito da 4-uple Il linguaggio delle 4-uple e simile al linguaggio macchina Talvolta I linguaggi di programmazione utilizzano linguaggi intermedi più evoluti: java java virtual machine C# -clr prolog warren abstract machine 11

12 Three-Address Code (4.uple) Una 4-uple è: x := y op z x, y e z sono nomi, costanti, elementi temporanei generati dal compilatore stesso op è un operatore. Nel seguito utilizzare la seguente notazione per una 4- uple op y,z,x con il significato applica l operatore op a y e z, e restitutisci il risultato in x. Three-Address: istruzioni Operatori binari: op y,z,result Dove op è un operatore binario o logico. Ex: add a,b,c gt a,b,c addr a,b,c addi a,b,c Unary Operator: op y,,result Dove op è un operatore binario o logico. Ex: uminus a,,c not a,,c inttoreal a,,c 12

13 Three-Address:istruzioni Move Operator: mov y,,result il contenuto di y e copiato in result. Ex: mov a,,c movi a,,c movr a,,c Unconditional Jumps: jmp,,l salto all istruzione di etichetta L Ex: jmp,,l1 // salto a L1 jmp,,7 // salto all istruzione 7 Three-Address Statements (cont.) Conditional Jumps: jmprelop y,z,l salta all istruzione con etichetta L se il risultato di y relop z èvero.seil risultato è false continua con l istruzione seguente Ex: jmpgt y,z,l1 // jump to L1 if y>z jmpgte y,z,l1 // jump to L1 if y>=z jmpe y,z,l1 // jump to L1 if y==z jmpne y,z,l1 // jump to L1 if y!=z oppure jmpnz y,,l1 // jump to L1 se y == 0 jmpz y,,l1 // jump to L1 if y!= 0 jmpt y,,l1 // jump to L1 if y == true jmpf y,,l1 // jump to L1 if y == false 13

14 Altre istruzione Parametri di Procedure : Chiamata di Procedure : param x,, dove x è un parametre attuale Ex: param x 1,, param x 2,, p(x 1,...,x n ) param x n,, call p,n, f(x+1,y) add x,1,t1 param t1,, param y,, call f,2, call p,n, Indexed Assignments: move y[i],,x con il significato x = y[i] move x,,y[i] con il significato y[i] = x Address and Pointer Assignments: moveaddr y,,x con il significato x = &y movecont y,,x con il significato x = *y 14

15 Per generare il codice nella forma a tre indirizzi dal codice sorgente noi utilizzaremo un approccio basato sulle grammatiche ad attributi. Esempio: le espressioni: Attributi: S ha un attributo "code contiene il frammento di codice E ha due attributi: code - contiene il frammento di codice place e il nome che daremo al valore corrispondente a E La notazione <fragment> expr rappresenta la concatenazione dell espressione nel frammento di codice Esempi di traduzione S id := E E E 1 + E 2 E E 1 * E 2 E -E 1 E ( E 1 ) E id S.code = E.code gen( mov E.place,, id.place) E.place = newtemp(); E.code = E 1.code E 2.code gen( add E 1.place, E 2.place, E.place) E.place = newtemp(); E.code = E 1.code E 2.code gen( mult E 1.place, E 2.place, E.place) E.place = newtemp(); E.code = E 1.code gen( uminus E 1.place,, E.place) E.place = E 1.place; E.code = E 1.code E.place = id.place; E.code = null 15

16 a := b * c + b * -c S a := E 8n E 3n + E 7n E 1n * E 2n E 4n * E 6n b c b - E 5n c Costruzione degli attributi place code E 1n E 2n E 3n E 4n E 5n E 6n b c t 1 b c t 2 E 1n.code E 2n.code t 1 := b * c E 5n.code t 2 := uminus c E 7n t 3 E 4n.code E 6n.code t 3 := b * t 2 E 8n t 4 E 3n.code E 7n.code t 4 := t 1 + t 3 S E 8n.code a := t 4 16

17 Traduzione Syntax-Directed S while E do S 1 S if E then S 1 else S 2 S.begin = newlabel(); S.after = newlabel(); S.code = gen(s.begin : ) E.code gen( jmpf E.place,, S.after) S 1.code gen( jmp,, S.begin) gen(s.after : ) S.else = newlabel(); S.after = newlabel(); S.code = E.code gen( jmpf E.place,, S.else) S 1.code gen( jmp,, S.after) gen(s.else : ) S 2.code gen(s.after : ) Looking up the Symbol Table S id := E E E 1 + E 2 E E 1 * E 2 { p= lookup(id.name); if (p is not nil) then emit( mov E.place,, p) else error( undefined-variable ) } { E.place = newtemp(); emit( add E 1.place, E 2.place, E.place) } { E.place = newtemp(); emit( mult E 1.place, E 2.place, E.place) } E -E 1 { E.place = newtemp(); emit( uminus E 1.place,, E.place) } E ( E 1 ){ E.place = E 1.place; } E id { p= lookup(id.name); if (p is not nil) then E.place = id.place else error( undefined-variable ) } 17

18 res := a * (alpha + -b) Assumiamo che res, a, alpha e b siano stata gia dicharate e poste Nella tabella rei simboli lexptr token attributes index : ->res ->a ->alpha ->b : ID_T ID_T ID_T ID_T : : processed string res := a res :=E 1 res :=E 1 * (alpha res :=E 1 * (E 2 res :=E 1 * (E 2 + -b res :=E 1 * (E 2 + -E 3 res :=E 1 * (E 2 + E 4 res :=E 1 * (E 5 res :=E 1 * (E 5 ) attributes E 1.place = <6> E 2.place = <7> E 3.place = <8> E 4.place = <9> E 5.place = <10> output <9> := uminus<8> <10> := <7>+<9> res :=E 1 * E 6 res :=E 7 S E 6.place = <10> E 7.place = <11> <11> := <6>*<10> <5> := <11> 18

19 Three Address Codes - Example x:=1; 01: mov 1,,x y:=x+10; 02: add x,10,t1 while (x<y) { 03: mov t1,,y x:=x+1; 04: lt x,y,t2 if (x%2==1) then y:=y+1; 05: jmpf t2,,17 else y:=y-2; 06: add x,1,t3 } 07: mov t3,,x 08: mod x,2,t4 09: eq t4,1,t5 10: jmpf t5,,14 11: add y,1,t6 12: mov t6,,y 13: jmp,,16 14: sub y,2,t7 15: mov t7,,y 16: jmp,,4 17: Arrays GLi elementi di arrays possono essere recuperati rapidamente se gli elementi sono memorizzati in blocchi consecutivi. Array monodimenzionali A base A è l indirizzo della prima locazione dell array A, width è la dimenzione di un elemento dell array. low è l indice del primo elemento dell array La locazione del generico elemento A[i] base A +(i-low)*width 19

20 Arrays (cont.) base A +(i-low)*width Può essere riscritto come i*width + (base A - low*width) Dovrebbe essere calcolato a run-time. e si vuole accedere ad A[i] la formula i*width+c sara calcolata a run time ma c = (base A -low*width) può essere calcolato a compile-time. Il generatore di codice intermedio deve comunque produrre il codice per valutare la formula i*width+c. Array bidimenzionali Un array a due dimenzioni può essere memorizzato per righe (row-major) per colonne (column-major) La maggior parte dei linguaggi di programmazione utilizzano il metodo row-major. Address_of _A[i 1,i 2 ] = base A + ((i 1 -low 1 )*n 2 +i 2 -low 2 )*width base A è l indirizzo della prima locazione dell array A, width è la dimenzione di un elemento dell array low 1 è l indice della prima riga low 2 è l indice della prima colonna n 2 è il numero di elementi in una riga La formula può essere riscritta ((i 1 *n 2 )+i 2 )*width + (base A -((low 1 *n 1 )+low 2 )*width) 20

21 Schema di traduzione per un Array Grammatica per gli array G1 (richiede attributi ereditati). L id L id [ Elist ] Elist Elist, E Elist E G2 (solo attributi sintetizzati) L id L Elist ] Elist Elist, E Elist id [ E Schema di traduzione per un Array L id { L.place = id.place; L.offset = null; } L Elist ] { L.place = newtemp(); L.offset = newtemp(); emit( mov c(elist.array),, L.place); emit( mult Elist.place, width(elist.array), L.offset) } Elist Elist 1, E { Elist.array = Elist 1.array ; Elist.place = newtemp(); Elist.ndim = Elist 1.ndim + 1; emit( mult Elist 1.place, limit(elist.array,elist.ndim), Elist.place); emit( add Elist.place, E.place, Elist.place); } Elist id [ E {Elist.array = id.place ; Elist.place = E.place; Elist.ndim = 1; } 21

22 Schema di traduzione per un Array Esempio1 A : array [ ] of double n 1 =95 width=8 (double) low 1 =5 Codice intermedio per x := A[y] mov c,,t1 // dove c=base A -(5)*8 mult y,8,t2 mov t1[t2],,t3 mov t3,,x Schema di traduzione per un Array Esempio2 A : array [1..10,1..20] of integer n 1 =10 n 2 =20 width=4 (integers) low 1 =1 low 2 =1 Codice intermedio per x := A[y,z] mult y,20,t1 add t1,z,t1 mov c,,t2 // where c=base A -(1*20+1)*4 mult t1,4,t3 mov t2[t3],,t4 mov t4,,x 22

23 Dichiarazioni P M D M { offset=0 } D D ; D D id : T { enter(id.name,t.type,offset); offset=offset+t.width } T int { T.type=int; T.width=4 } T real { T.type=real; T.width=8 } T array[num] of T 1 { T.type=array(num.val,T 1.type); T.width=num.val*T 1.width } T T 1 { T.type=pointer(T 1.type); T.width=4 } Dove enter crea una tabella dei simboli per un dato valore Nested Procedure Declarations Per ogni sottoprogrmma deve esserecreata una tabella dei simboli. mktable(previous) crea una nuova tabella dei simboli dove previous è la tabella dei simboili che ha generaro la nuova tabella. enter(symtable,name,type,offset) crea un nuovo elemento per una variabile in una data tabella dei simboli. enterproc(symtable,name,newsymbtable) crea un nuovo elemento per un sottoprogramma nella tabella dei simboli dei suoi genitoti. addwidth(symtable,width) pone la dimenzione di tutte gli elementi nella tabella dei simboli nell header della tabella. Utilizzaremo due pile: tblptr memorizza I puntatori dalla tabella dei simboli offset memorizza l offsets corrente nella tabella dei simbili nella pila tblptr 23

24 Nested Procedure Declarations P M D { addwidth(top(tblptr),top(offset)); pop(tblptr); pop(offset) } M { t=mktable(nil); push(t,tblptr); push(0,offset) } D D ; D D proc id N D ; S { t=top(tblptr); addwidth(t,top(offset)); pop(tblptr); pop(offset); enterproc(top(tblptr),id.name,t) } D id : T { enter(top(tblptr),id.name,t.type,top(offset)); top(offset)=top(offset)+t.width } N { t=mktable(top(tblptr)); push(t,tblptr); push(0,offset) } Chiamata di sottoprogrammi Valuta gli argomenti e li memorizza in una posizione conosciuta Genera I valori dei puntatori per accedere ai dati Salva lo stato della procedura chiamante Salva l indirizzo di ritorno e salta al codice della procedura chiamata Alla fine (return) richiama e salva qualsiasi valore di ritorno 24

25 Schema di traduzione 1) S call id (Elist) {for each item p on queue do emit ( param p); emit ( call id.place)} 2) Elist Elist.E {append E.place to the end of queue} 3) Elist E {inizilie queue to contein only E.place} 25