言語理論とコンパイラ

第十二回: コード生成

2012 年 7 月 6 日

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2012/Compiler/lecture12.html

Martin J. Dürst

先週のまとめ

構文解析のよいエラー処理は難しい
意味解析は主に型のチェックなど
中間表現として名前表と構文木が大切

これからの予定

7月13日: 最適化
7月20日: 実行環境など
7月27日、11:10-12:35: 期末試験

過去問の活用方法

最新のブラウザ (Opera, Firefox, Chrome, Safari, IE9) で閲覧可能
正解例を見るためには表示⇒スタイルで「solutions」に設定
正解例を見ないで本番と同様に時間を決めて解いてみるのが効果的
正解例はあくまでも例で、他にも正解がある場合も

コンパイラの主な段階

字句解析 (lexical analysis)
構文解析 (parsing; syntax analysis)
意味解析 (semantic analysis)
コード生成 (code generation)
最適化 (optimization)

コード生成と最適化の関係

構文木で最適化、そこからコード生成
生成したコードを分析、最適化
実際は両方の組み合わせが多い

コード生成の難しさ

機械によって使える命令が大幅に違う

コード生成の手法

構文木を作らないで文法規則ごとにコード生成 (例: スタック・マシーン、条件文など)
構文木を辿りながらノードごとにコードを書き出す
構文木の構造をコード生成用のパターンに比べてコードを書き出す

機械の主な種類

スタック・マシーン:
演算は全てスタックで行われて、バーチャルマシーンに多い
RISC (Reduced Instruction Set Computer):
演算は全てレジスタ内で行われて、純粋のロードとストアしかない
CISC:
命令の数が多くて複雑 (例: Intel 系)

コードの書き方: アセンブリ言語

(assembly language)

アセンブリ言語は機械語を若干抽象化し、人間が読めるようにしたもの
アセンブラ (assembler) によって機械語に変換される
機械などによって種類が多いが、書き方はだいたい似ている
機械命令一個を一行に書く
一行は四つの部分からなる:
- ラベル
- 命令 (演算子など)
- 被演算子 (レジスタ、変数名、定数など)
- コメント (普通は ; 後)

超単純アセンブリ言語

命令の種類
命令	被演算子	説明 (コメント)
LOAD	R1, a	メモリの変数 a の値をレジスタ R1 に代入
STORE	a, R1	レジスタ R1 の値をメモリの変数 a に代入
CONST	R1, 5	レジスタ R1 に 5 の定数を代入
JUMP	label	無条件に label へジャンプ
JUMP<	R1, label	レジスタ R1 が 0 より小さい時 label へジャンプ (JUMP>=, JUMP!= などは同様)
ADD	R1, R2, R3	R2 と R3 を足して R1 に代入。同じレジスタを何回使ってもよい。同様に SUB、MUL、DIV がある。

メモリのアドレスは変数名 (小文字) で表す
レジスタは R1, R2,... で表し、数は特定の制限がない
被演算子の順番は結果が一番最初に

超単純アセンブリ言語の一例

入力のプログラムの一部:

sum += price * 25;

出力:

LOAD   R1, price    ; R1 (レジスタ1) に price というアドレスからロード
CONST  R2, 25       ; R2 (レジスタ2) に 25 の定数をロード
MUL    R1, R1, R2   ; R1 に R1 と R2 の掛け算の結果を入れる
LOAD   R2, sum      ; R2 に sum というアドレスからロード
ADD    R2, R1, R2   ; R2 に R1 と R2 の合計を入れる
STORE  sum, R2      ; sum というアドレスに R2 を入れる

`if` 文などのコード生成

条件を条件付きジャンプ命令に変更
条件付き命令は前の演算から残るフラグを使ったり、0 との比較が多い
条件が合わない場合にジャンプすることが多い
ジャンプの行き先がまだ分からない場合が多い
(アセンブリ言語ではラベルが使える)

`if` 文のコード生成の例

元の文: if (a>10) b = 15;

生成されるコード:

       LOAD    R1, a
       CONST   R2, 10
       SUB     R3, R1, R2   ; R3 = a-10
       JUMP<=  R3, endif    ; jump over if part if a-10<=0
       CONST   R4, 15
       STORE   b, R4
endif:

(人間のための) 中間表現:
制限された C 言語

while 文、for 文はなし
goto は使える
if 文の後は goto のみ
if 文の条件は 0 との比較のみ

制限された C 言語の例

元の文:
if (a>10) b = 15;

条件を 0 との比較にする:

if (a-10>0) b = 15;

ラベルの追加:

  if (a-10>0)
    b = 15;
endif:

条件の反転と goto の導入:

  if (a-10<=0)
    goto endif;
  b = 15;
endif:

`if`・`else` 文のコード生成

C のプログラム

if (a > b)
    c = a;
else
    c = b;

参考: C のプログラムの変形

  if (a-b <= 0)
    goto else;
  c = a;
  goto end;
else:
  c= b;
end:

アッセンブリのプログラム

       LOAD   R1, a
       LOAD   R2, b
       SUB    R1, R1, R2   ; a-b > 0
       JUMP<= R1, else
       LOAD   R1, a
       STORE  c, R1
       JUMP   end
else:  LOAD   R1, b
       STORE  c, R1
end:

論理演算子のコード生成

if (a>10 || b < 3)
    c = 5;

コードの変更:

if (a>10)
    c = 5;
else if (b < 3)
    c = 5;

論理演算子のコード再生の結果

       LOAD   R1, a
       CONST  R2, 10
       SUB    R1, R1, R2   ; a-10 > 0
       JUMP<= R1, else
       CONST  R1, 5
       STORE  c, R1
       JUMP   end
else:  LOAD   R1, b
       CONST  R2, 3
       SUB    R1, R1, R2   ; b-3 < 0
       JUMP>= R1, end
       CONST  R1, 5
       STORE  c, R1
end:

関数呼び出しのコード生成

呼び出し側と関数側に特別なコードが必要
機械・OS・言語特有の関数呼び出しスタックの構成を考慮する必要がある

関数呼び出しスタックの内容 (関数フレーム):

戻り番地 (関数後どこに戻るか)
引数、戻り値
前の関数フレームのベースポインタ
使われるレジスターの値を退避する一時変数
ローカル変数

宿題

(提出不要)for 文や while 文のコード生成を考えて、例を作って提案する

授業改善のための学生アンケート

お願い: 自由記述に必ず良かった点、問題点を具体的に書くこと

(悪い例: 発音が分かりにくい; 良い例: さ行が濁っているかどうか分かりにくい)