Computer Science
System Software

Compilerbau

339.280 Mössenböck Do 8:30 - 10:00 HS 19 Beginn: 06.10.2022

Die Lehrveranstaltung vermittelt praktische Kenntnisse im Compilerbau. Studierende sollen in die Lage versetzt werden, Compiler für einfache Programmiersprachen, Kommandosprachen und allgemeine strukturierte Eingabeströme zu implementieren. Es werden die wichtigsten Phasen eines Compilers wie lexikalische Analyse, Syntaxanalyse, Semantikverarbeitung und Codeerzeugung behandelt. Darüber hinaus werden Beschreibungstechniken wie attributierte Grammatiken und ihre Verarbeitung durch Compiler-Generatoren erläutert. Die Vorlesung bietet auch eine Einführung in die Theorie der Formalen Sprachen, soweit sie für den Compilerbau relevant ist.

Compilerbau-Kenntnisse sind nicht nur für Compiler-Entwickler wichtig, sondern auch für Anwendungsprogrammierer. In vielen Programmen müssen Parameter, Programmoptionen oder Eingabedateien verarbeitet werden, die syntaktisch strukturiert sind. Für diese Aufgaben sind oft Kenntnisse über Syntaxanalyse oder Symbollistenverwaltung nötig. Die Vorlesung zeigt, wie man solche Aufgaben systematisch löst.

Fortgeschrittene Compilerbau-Techniken wie Codeerzeugung für Registermaschinen, Codeoptimierung und getrennte Übersetzung werden in der anschließenden Wahlvorlesung Advanced Compiler Construction angeboten (findet alle 2 Jahre im Sommersemester statt).

Inhalt

  1. Überblick

    2. 1.1 Motivation
    1.2 Struktur eines Compilers
    1.3 Grammatiken
    1.4 Syntaxbaum und Mehrdeutigkeit
    1.5 Grammatikklassen nach Chomsky
    1.6 Die Sprache MicroJava

  2. Lexikalische Analyse (Scanning)

    3. 2.1 Aufgaben der lexikalischen Analyse
    2.2 Reguläre Grammatiken und Endliche Automaten
    2.3 Scanner-Implementierung

  3. Syntaxanalyse (Parsing)

    4. 3.1 Kontextfreie Grammatiken und Kellerautomaten
    3.2 Rekursiver Abstieg
    3.3 LL(1)-Eigenschaft
    3.4 Fehlerbehandlung

  4. Semantikanschluss

    5. 4.1 Attributierte Grammatiken (prozedurale Sicht)
    4.2 Attributierte Grammatiken nach Knuth

  5. Symbolliste

    6. 5.1 Überblick
    5.2 Objekte
    5.3 Scopes
    5.4 Typen
    5.5 Universum

  6. Codeerzeugung

    7. 6.1 Überblick
    6.2 Die MicroJava VM
    6.3 Codespeicher
    6.4 Operanden
    6.5 Ausdrücke
    6.6 Zuweisungen
    6.7 Sprünge und Marken
    6.8 Ablaufkontrollstrukturen
    6.9 Methoden

  7. Bottomup-Syntaxanalyse

    8. 7.1 Arbeitsweise eines Bottomup-Parsers
    7.2 LR-Grammatiken
    7.3 LR-Tabellenerzeugung
    7.4 Tabellenverkleinerung
    7.5 Semantikanschluss
    7.6 LR-Fehlerbehandlung

  8. Compiler-Generatoren

    9. 8.1 Yacc
    8.2 Lex
    8.3 Coco/R

  9. Weitere Themen

    10. 9.1 Objektorientierung
    9.2 Exception Handling
    9.3 Überladen von Methoden
    9.4 Getrennte Übersetzung

Prüfung

Schriftliche Klausur (voraussichtlich in Präsenz) am 26.01.2023, 8:30 - 10:00.

Skript

Die Folien im PDF-Format sind von der Kusss-Seite oder der Moodle-Seite dieser LVA herunterladbar.
Zum "Nachhören" stehen auch die Zoom-Aufzeichnungen aus dem WS21/22 zur Verfügung.

Literatur

Hauptsächliche Literatur

  • H.Mössenböck: Übersetzer. In P.Rechenberg, G.Pomberger: Informatik-Handbuch, 4. Auflage, Hanser-Verlag 2006
    Eine Zusammenfassung des Übersetzerbaus auf 22 Seiten. Deckt sich gut mit dem Vorlesungsstoff.

  • P.Rechenberg: Formale Sprachen und Automaten. In P.Rechenberg, G.Pomberger: Informatik-Handbuch, 4. Auflage, Hanser-Verlag 2006
    Die in der Vorlesung benötigte Theorie über Grammatiken, Sprachen und ihre Verarbeitung.

  • N.Wirth: Grundlagen und Techniken des Compilerbaus. 3. Auflage, Oldenbourg, 2011
    Ein Meister des Übersetzerbaus zeigt, wie er in der Praxis arbeitet.
    Englische Ausgabe unter https://people.inf.ethz.ch/wirth/CompilerConstruction/CompilerConstruction1.pdf
    und https://people.inf.ethz.ch/wirth/CompilerConstruction/CompilerConstruction2.pdf

  • P.Terry: Compiling with C# and Java. Pearson Addison-Wesley 2005
    Ein gutes Buch, das viele Teile dieser Vorlesung abdeckt und auch den Einsatz des Compilergenerators Coco/R behandelt.

  • R. Hunter: The Essence of Compilers.Pearson Prentice Hall, 1999
    Ein gutes Buch, das den Stoff dieser Vorlesung recht gut abdeckt.

Weiterführende Literatur

  • A.V.Aho, M.Lam, R.Sethi, J.D.Ullman: Compiler -- Prinzipien, Techniken und Werkzeuge. Pearson Studium 2008.
    engl.: Compilers -- Principles, Techniques and Tools. Pearson Education 2007
    Ein Klassiker unter den Übersetzerbau-Büchern. Einfach zu lesen, wenn auch bereits etwas veraltet. Geht von den Grundlagen bis zur Optimierung.

  • B.Campbell, S.Iyer, B.Akbal-Delibas: Introduction to Compiler Construction in a Java World. CRC Press, 2013
    Praktisch orientiertes Buch, das über den Vorlesungsstoff hinausgeht. Es orientiert sich teilweise an der Implementierung des HotSpot Client Compilers von Oracle.

  • A.W.Appel: Modern Compiler Implementation in Java. 2nd edition. Cambridge University Press 2013
    Gutes Buch, das den Übersetzerbau in seiner vollen Breite und mit vielen Varianten abdeckt.

  • S.Muchnick: Advanced Compiler Design and Implementation. Morgan Kaufmann, 1997.
    Ein sehr vollständiges und weit über den Stoff dieser Vorlesung hinausgehendes Compilerbuch. Nicht ganz billig, aber für Interessierte durchaus lohnend.

  • U.Kastens: Übersetzerbau. Oldenburg-Verlag 1990
    Gutes Kapitel über attributierte Grammatiken.

  • J.R.Levine, T.Mason, D.Brown: lex & yacc. O'Reilly & Associates 1995
    Ausführliche Beschreibung der Übersetzerbau-Werkzeuge lex und yacc.

Online-Quellen