言語理論とコンパイラ

第十三回: コード生成

2013 年 7 月 12日

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2013/Compiler/lecture13.html

Martin J. Dürst

先週の残りとまとめ

中間表現として名前表と構文木が大切
意味解析は主に型のチェックなど

これからの予定

7月12日: コード生成
7月19日: 最適化
7月26日: 実行環境、仮想計算機、ゴミ集め、動的コンパイラ
8 月 2日 11:10-12:10: 期末試験
過去問:
- 2012 年の試験
- 2011 年の試験 (45分)

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、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、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
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 (一部のみ)
- 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:

制限された C 言語

(人間のための) 中間表現

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
関数呼び出しにスタックが使用
スタックの構成は機械・OS・言語によって異なる

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)