CompilerConstructie / Les 3 Activatierecords & Intermediaire Code

Transcriptie

1 CompilerConstructie / Les 3 Activatierecords & Intermediaire Code Christophe Van Ginneken 1

2 les 3 in 1 [slide minuut] Java ML Sparc MIPS broncode (intermediaire code)* machine code Pascal Front End Back End mov! edx,len! ;message length Mov! ecx,msg!;message to write mov! ebx,1! ;file descriptor (stdout) mov! eax,4! ;system call number (sys_write) int! 0x80! ;call kernel mov! eax,1! ;system call number (sys_exit) int! 0x80! ;call kernel C C++ Pentium Alpha CJUMP(LT,x,CONST(5), t, F) MEM(+(TEMP fp, CONST kn), S) SEQ(label z, s2(t, f)) CALL(NAME z, [sl,e1, e2,...,en]) CALL(NAME z, [sl,e1, e2,...,en]) procedure-oproep- en keer-terug-model oproep == activatie activatierecord == stack frame stack vrij geheugen heap statische gegevens code... argument n... argument 2 argument 1 statische link locale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link locale variabelen... 2

3 Situering 3

4 Structuur van een compiler broncode intermediaire code machine code Front End Back End mov! edx,len! ;message leng Mov! ecx,msg! ;message to w mov! ebx,1!! ;file descript mov! eax,4!! ;system call int! 0x80!! ;call kernel mov! eax,1!! ;system call int! 0x80!! ;call kernel fouten 4

5 Front End broncode tokens AST intermediaire code Scanner & Parser Semantisch Analyse & IC generatie CJUMP(LT,x,CONST(5), t, F) MEM(+(TEMP fp, CONST kn), S) SEQ(label z, s2(t, f) CALL(NAME z, [sl,e1, e2,...,en]) fouten 5

6 Back End intermediaire code {code generatie machine code CJUMP(LT,x,CONST(5), t, F) MEM(+(TEMP fp, CONST kn), S) SEQ(label z, s2(t, f) CALL(NAME z, [sl,e1, e2,...,en]) Optimizer Instructie Selectie & Flow Analyse Optimizer Register Allocatie & Code Emissie mov! edx,len! ;message leng Mov! ecx,msg! ;message to w mov! ebx,1!! ;file descript mov! eax,4!! ;system call int! 0x80!! ;call kernel mov! eax,1!! ;system call int! 0x80!! ;call kernel fouten 6

7 Waarom intermediaire code? Java Sparc Java Sparc ML ML MIPS MIPS Pascal Pascal IC Pentium Pentium C C C++ Alpha C++ Alpha 7

8 Intermediaire code IC = abstracte machine code moet handig zijn genereren (door front-end) om te zetten (door back-end) eenvoudig en duidelijk 8

9 Situering IC Front End Back End Semantisch Analyse & IC generatie CJUMP(LT,x,CONST(5), t, F) MEM(+(TEMP fp, CONST kn), S) SEQ(label z, s2(t, f) CALL(NAME z, [sl,e1, e2,...,en]) Code Generatie 9

10 Activatierecords? 10

11 broncode run-time 11

12 broncode namen data run-time objecten 12

13 Terminologie procedure naam procedure body formele parameters actuele parameters program sort(input, output); var a : array [0..10] of integer; procedure readarray; var i : integer; begin for i := 1 to 9 do read(a[i]) end; function partition(y, z: integer) : integer; var i, j, x, v: integer; begin... end; procedure quicksort(m, n : integer); var a : integer; begin if( n > m ) then begin a := partition(m, n); quicksort(m, a-1); quicksort(a+1, n); end end; begin a[0] := -9999; a[10] := 9999; readarray; quicksort(1,9); end. niveau 1 niveau 2 niet-lokale scope & geneste diepte lokale scope 13

14 Procedure-verloop & levensduur 1. sequentieel: uitvoeringsstappen 2. procedureel: oproep - uitvoering - terugkeer X procedure A procedure A procedure A procedure B procedure B procedure B procedure A activatie procedure A recursief 14

15 Activatiesboom sort readarray qs(1, 9) part(1, 9) qs(1, 3) qs(5, 9) part(1, 3) qs(1, 0) qs(2, 3) part(5, 9) qs(5, 5) qs(7, 9) part(2, 3) qs(2, 1) qs(3, 3) part(7, 9) qs(7, 7) qs(9, 9) 15

16 Controlestack sort readarray qs(1, 9) qs(2, 3) qs(1, 3) part(1, 9) qs(1, 3) qs(1, 9) part(1, 3) qs(1, 0) qs(2, 3) sort 16

17 Scope van een declaratie zelfde naam op meerdere plaatsen scope regels: lokaal, niet-lokaal de scope van x de scope van de declaratie van naam x die van toepassing is voor dit voorkomen van x compilatie symbolen tabel voorkomen declaratie program sort(input, output); var a : array [0..10] of integer; procedure readarray; var i : integer; begin for i := 1 to 9 do read(a[i]) end;... procedure quicksort(m, n : integer); var a : integer; begin if( n > m ) then begin a := partition(m, n); quicksort(m, a-1); quicksort(a+1, n); end end;... 17

18 Naambinding omgeving status naam plaats waarde binding l-value r-value pi pi:=3.14; pi status statisch / in code definitie van een procedure declaratie van een naam scope van een declaratie dynamisch / tijdens uitvoering activatie van de procedure binding van de naam levensduur van de binding 18

19 Organisatie van geheugen hoge adressen controlestack met activatierecords stack vrij geheugen malloc heap statische gegevens lage adressen code (voorbeeld MIPS) 19

20 Activatierecords Stack Frame procedure oproep == activatie alle info gaat op de stack in een frame ligt bijna volledig vast bij compilatie conventionele layout 20

21 Activatierecords frame pointer stack pointer... argument n... argument 2 argument 1 statische link lokale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link locale variabelen... vorig frame huidig frame volgend frame 21

22 Intermezzo: Registers 32 lokale variabelen snelheid caller-save / callee-save doorgeven van parameters (4, 6) 22

23 Parameters & terugkeeradres Calling convention Call-by-reference CALL() stack / register... argument n... argument 2 argument 1 statische link lokale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link 23

24 Variabelen in het activatierecord register! by-reference geneste procedures > 1 register rij veel escapes... argument n... argument 2 argument 1 statische link lokale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link 24

25 Statische link blok structuur statische link display lambda lifting program sort(input, output); var a : array [0..10] of integer;... procedure quicksort(m, n : integer); var i : integer; function partition() : integer; var i, j, x, v: integer; begin... a[x]... end; begin if( n > m ) then begin i := partition(); quicksort(m, i-1); quicksort(i+1, n); end end; part() qs(1, 3) qs(1, 9) sort 25

26 Display blok structuur statische link display lambda lifting program sort(input, output); var a : array [0..10] of integer;... procedure quicksort(m, n : integer); var i : integer; function partition() : integer; var i, j, x, v: integer; begin... a[x]... end; begin if( n > m ) then begin i := partition(); quicksort(m, i-1); quicksort(i+1, n); end end; d[3] d[2] d[1] part() qs(1, 3) qs(1, 9) sort 26

27 Lambda Lifting blok structuur statische link display lambda lifting program sort(input, output); var a : array [0..10] of integer; procedure readarray(a : array[0..10] of integer); var i : integer; begin for i := 1 to 9 do read(a[i]) end; function partition(y, z: integer, a : array[0..10] of integer) : integer; var i, j, x, v: integer; begin... end; procedure quicksort(m, n : integer, a : array[0..10] of integer); var i : integer; begin if( n > m ) then begin i := partition(m,n,a); quicksort(m,i-1,a); quicksort(i+1,n,a); end end; begin a[0] := -9999; a[10] := 9999; readarray(a); quicksort(1,9,a); end. 27

28 Intermezzo: Hogere orde functies fun f(x) = let fun g(y) = x+y in g end val h = f(3) val j = f(4) val z = h(5) (* 8 *) val w = j(7) (* 11 *) + geneste functies resultaat = functie hogere orde functie Kan niet op een stack! 28

29 Intermediaire Code Generatie 29

30 IC generatie meerdere iteraties optimaliserende algoritmes één per één onderlinge afhankelijkheid AST boom IC sequentieel 30

31 IC statements SEQ( stm, stm ) LABEL( label ) JUMP( exp ) CJUMP( op, exp, exp, label, label ) MOVE( exp, exp ) EXP( exp ) 31

32 IC expressies BINOP( binop, exp, exp ) MEM( exp ) TEMP( temp ) ESEQ( stm, exp ) NAME( label ) CONST( int ) CALL( exp, args ) 32

33 Intermezzo: Expressies & Statements Expressies = evalueert tot een waarde Statements = doet iets x = 2 dosomething() Pascal expliciet function, procedure C * verwaterd dosomething(x = 2) Haskell géén statements, alleen expressies 33

34 AST IC AST expressie 3 soorten IC expressies expressie Ex statement procedure Nx boolse expr. a < b Cx 34

35 Enkelvoudige variabele MEM MEM(BINOP(PLUS, TEMP(fp), CONST(k))) BINOP PLUS TEMP fp CONST k MEM(+(TEMP(fp), CONST(k))) frame pointer stack pointer stack vrij geheugen heap statische gegevens code... argument n... argument 2 argument 1 statische link locale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link locale variabelen... TEMP(fp) frame pointer variabele MEM(...) + CONST(k) = + statische link uitwerken 35

36 Rijen Pascal var a,b : array[1..12] of integer begin b := a; end; C { } X int a[12], b[12]; b = a; { } int a[12], *b; b = a; Tiger let type intarray = array of int var a := intarray[12] of 0 var b := intarray[12] of 7 in b := a end 36

37 MEM Rijen MEM e + BINOP MEM(+(MEM(e),BINOP(MUL,i,CONST(W))) MUL i CONST W a[i] a = MEM(+(TEMP(fp),CONST(k a ))) stack locale variabelen terugkeer adres tijdelijke variabelen opgeslagen registers argument n... argument 2 argument 1 statische link MEM(a ) MEM(a +(i*w)) vrij geheugen heap statische gegevens code 37

38 Integers & Strings Integer IntExp(i) CONST(i) Operaties OpExp(i,...) BINOP(i,...) Strings lengte + rij van karakters 11 h e l l o w o r l d 38

39 Boolse expressies a>b c<d SEQ CJUMP SEQ GT a b null t z LABEL(z) CJUMP LT c d null t null f if a > b goto lbl_true goto z z: if c < d goto lbl_true goto lbl_false 39

40 Intermezzo: Conversie van IC expr. a < b boolse expressie CJUMP(LT, a, b,...,...) var x = a < b MOVE(TEMP(x),? ) expressie 0 1 unex expressie boolse uncx statement unnx 40

41 Conditionele Expressies if e 1 then e 2 else e 3 uncx unex unex SEQ SEQ LABEL(join) CJUMP SEQ e1 LABEL(t) t SEQ f MOVE SEQ join LABEL(f) SEQ MOVE SEQ join if e 1 goto t goto f t: r = e 2 goto join f: r = e 3 join: TEMP(r) e2 TEMP(r) e3 41

42 Lussen while test: if not(condition) goto done <body> goto test done: for i := low to high do <body> let var i := low in while i <= high do <body> i := i + 1 end maxint! 42

43 Functieoproepen f(a 1,a 2,...,a n ) CALL(NAME(l f ), [s l,e 1,e 2,...,e n ]) l f s l e x LABEL voor f statische link adres voor a x 43

44 Functiedefinities function partition(y, z: integer) : integer; var i, j, x, v: integer; begin... end; FunctionDec Symbol( partition ) FieldList Symbol( integer ) LetExp AST Symbol( y ) Symbol( z ) DecList... Symbol( integer ) Symbol( integer ) VarDec... Symbol( i ) Symbol( integer ) IC fragment PROC(label partition, <IC code for body>, <frame layout info>) 44

45 Proloog / Epiloog proloog aankondiging begin functie label voor functie naam aanpassen stack pointer escaping argumenten + statische link bewaren niet-escaping in registers callee-save registers & terugkeer adres epiloog resultaat naar register callee-save registers terugzetten stack pointer terugkeer instructie aankondiging einde functie exacte grootte frame is pas gekend NA register allocatie 45

46 Managed - Unmanaged 46

47 Managed - Unmanaged IC == Java Bytecode?.NET Common Intermediate Language? javac == Front-End? java == Back-End? 47

48 48

49 49

50 Managed - Unmanaged Java,.NET, Perl 6,... Heeft unmanaged nog zin? Run-Time optimalisaties verder dan machine code optimalisaties in compiler? 50

51 Managed - Unmanaged Conclusies groepsgesprek: Intermediare Code staat nog ver van Java bytecode: bvb. veel details (exacte adressering, machineafhankelijke constanten,...) ontbreken nog Unmanaged code kan zeker nog betekenis behouden in kader van bvb. embedded systemen. Tendens naar managed is zeker waar te nemen en wordt bvb. ondersteund door processoren die rechtstreeks Java bytecode kunnen uitvoeren. De vraag wordt dan wel of deze dan nog verschillend van klassieke machine code kan/moet gezien worden. 51

52 52

53 Optimale Code Generatie is een onbeslisbaar probleem Doe het zo goed mogelijk correct gebruik machine architectuur efficiënte uitvoering 53

54 EndOfPresentationException 54

55 Mogelijke Examenvragen Wat is een standaard activatierecord-layout en waarom zou je dit al dan niet volgen? Kan het FP register niet eenvoudig vervangen worden door en/of gebaseerd worden op het SP register? Bespreek aan de hand van het principe van activatierecords en een stack. Wat is een dangling reference? Geef een voorbeeld hoe deze kan ontstaan vanuit een activatierecord. Wat zijn de beperkingen van activatierecords en een stack? Waarom gebruik je wel of niet één of meerdere intermediare codes? Wat zijn de voordelen/nadelen? Welke eigenschappen vertoont een goede intermediaire code? 55