کامپایلر در برنامه نویسی چیست و بررسی انواع کامپایلر

بعد از اینکه مقاله IDE چیست و تفاوت آن با کامپایلر رو در سایت منتشر کردیم حال میخواهیم در مورد کامپایلر صحبت کنیم و جواب این سوال رو بدهیم که کامپایلر در برنامه نویسی چیست چه کاربردی دارد و در انتها توضیحاتی در مورد انواع کامپایلر ارائه دهیم. وقتی شما مبانی ابتدایی و اصلی رو یاد می گیرید خیلی راحتر می توانید کد نویسی کنید. در مقاله بعدی در مورد مفسر در برنامه نویسی صحبت می کنم. ولی قبل از مفسر، شما باید بدونید کامپایلر چیه و چه طور کار می کنه، پس این مقاله رو تا انتها مطالعه کنید.

کامپایلر چیست

اگر بخواهیم کامپایلر رو تعریف کنیم و بگیم واقعا کامپایلر چیست باید بگویم مجموعه‌ای از برنامه یا برنامه‌های کامپیوتری است که متنی از زبان برنامه‌نویسی سطح بالا (زبان مبدا) را به زبانی سطح پایین (زبان مقصد)، مثل اسمبلی یا زبان سطح ماشین، تبدیل می‌کند.

به بیان ساده، کامپایلر برنامه‌ای است که یک برنامه نوشته شده در یک زبان خاص ساخت‌یافته را خوانده و آن را به یک برنامه مقصد (Target Language) تبدیل می‌نماید. در یکی از مهم‌ترین پروسه‌های این تبدیل، کامپایلر وجود خطا را در برنامه مبدأ اعلام می‌نماید.

تعریف یکی از دوستان از کامپایلر، کامپایلر برنامه‌ای رایانه‌ای می‌باشد که به‌منظور انتقال زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا به زبان‌های سطح پایین مانند زبان اسمبلی و زبان ماشین، جهت اجرایی شدن، طراحی وارائه‌شده‌اند، خروجی این نرم‌افزار برای ماشین‌هایی مانند رایانه قابل اجرا هست.

کامپایلرها به عنوان ابتدایی ترین و اصلی‌ترین برنامه، برای برنامه نویسان به شمار می‌آیند، در اولین نگاه ممکن هست کامپایلر ها برنامه‌های ساده و بدون تنوع باشند اما با نگاه دقیق‌تر مشخص می‌شود که آنها در برخی موارد دارای پیچیدگی‌هایی هستند که به علت ویژگی‌های متفاوت آنها پدید آمده است. برخی از این پیچیدگی‌ها به علت دشوار بودن برخی زبان‌های سطح ماشین می‌باشد؛ به عبارتی زبان‌های سطح ماشین مانند زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا به سادگی قابل‌فهم برای انسان نیستند و برای همین منظور است که انسان به زبان‌های سطح بالا برنامه را می‌نویسد و با استفاده از کامپایلرها آن را به سطح پایین و سطح ماشین تبدیل می‌کند. 

نکته مهم: کامپایلرها معمولاً توسط شرکت‌های متفاوتی تولید می‌شود و همواره شرکت‌هایی که سخت افزار ماشین را تولید می‌کنند، کامپایلر مورد نیاز آن ماشین را نیز تولید و ارائه می‌کنند، البته کامپایلر ها دارای استاندارهای جهانی هستند که این امر مانع از آن می‌شود که هر شرکت خود به صورت دلخواه استانداردهایی مشخص کند. برای مثال استاندارد زبان اسمبلی یک استاندارد جهانی می‌باشد و شرکت‌های تولید کننده چیپ و میکروچیپ مانند Intel، Motorola و غیره از این زبان استفاده می‌کنند؛ به همین منظور کامپایلرهایی برای تبدیل به این زبان توسط این شرکت‌های ارائه می‌شود. 

کامپایلرها دارای انواع متنوعی هستند که هر کدام به منظور استفاده برای کاربرهای خاصی تهیه شده است علی‌رغم این تنوع اعمال اساسی که هر کامپایلر بایستی انجام دهد، مشابه هم می‌باشند. مهم‌ترین علت استفاده از کامپایلر ترجمه برنامه منبع به برنامه اجرائی می‌باشد البته در شرایطی برخی کامپایلرها این کار را برعکس نیز انجام می‌دهند به طوری که زبان برنامه نویسی سطح پایین را به زبان برنامه نویسی سطح بالا ترجمه می‌کند.

انواع کامپایلر

در بخش زیر سه مدل کامپایلر را مورد بررسی قرار داده ایم که می توانید با خواندن این سه مورد با انواع کامپایلر آشنا شوید. 

کامپایلرهای محلی و عبوری:
اکثر کامپایلرها به دو دسته محلی و عبوری تقسیم می‌شوند. کامپایلرهایی که به منظور اجرای برنامه های باینری هستند، کامپایلرهایی با کد محلی گوییم چرا که تنها در کامپیوترهای یک نوع با سیستم‌عامل های یکسان قابل به کارگیری است. از طرف دیگر ممکن است کامپایلرها کدهای باینری را تولید کنند که در سیستم‌های مختلف قابل اجرا باشد. به این دسته از کامپایلرها که وابستگی به سخت‌افزار ندارند، کامپایلرهای عبوری گوییم.

کامپایلرهای تک فاز و چند فاز:
کامپایلرها از نظر فاز به تک فاز و چند فاز تقسیم بندی می شوند. فاز بندی کامپایلرها در عمل به محدودیت‌های منابع سخت‌افزاری وابسته‌است. در نتیجه کامپایلرها به مجموعه برنامه‌های کوچکتر تقسیم می‌شوند هر یک بخشی از عمل ترجمه یا آنالیز را برعهده می‌گیرند.

کامپایلرهای تفسیری و کامپایلی:
زبانهای سطح بالا را به دو دسته تفسیری و کامپایلی تقسیم می‌کنند. کامپایلرها و مفسرها روی زبان‌ها عمل می‌کنند نه زبانها روی آنها! مثلاً این تصور وجود دارد که الزاماً BASIC تفسیر می‌شود و C کامپایل. اما ممکن است نمونه‌هایی از BASIC یا C ارائه شود که به ترتیب کامپایلری و تفسیری باشد. البته استثناهایی نیز وجود دارد.

کامپایلر چگونه کار می کند؟

بعد از اینکه گفتیم کامپایلر چیست و معنی کامپایلر رو مورد بررسی قرار دادیم حال باید ببینم اصلا کامپایلر چطور کار می کند و به صورت دقیق به آن بپردازیم.

اگر بپذیرید که کامپیوتر تنها قادر به درک مفهوم سیگنال های پذیرش و عدم پذیرش و یا همان سیگنال ها و اعداد صفر و یک است می توانید راحت تر به جواب برسید در واقع سیستم کامپیوتر شامل مدارهایی است که این مدارها فقط به دو سیگنال صفر و یک و یا فعال و غیر فعال و یا روشن و خاموش حساس است و به هیچ وجه قادر به درک الفاظ و زبان طبیعی نمی باشد و حتی از کاری که قرار است انجام بدهد نیز خبر ندارد و مدارهای الکتریکی بر اساس کدهایی که در حافظه قرار می گیرد (کلمات حافظه) و در نهایت پردازش هایی که توسط پردازنده در واحد کنترل و ALU بر روی آن ها صورت می دهد اعمالی انجام می شود. اما آن چه که در این بخش مورد توجه است همان شکل گیری صفر و یک ها در نتیجه یک برنامه به زبان فرضا سی شارپ می باشد. این کاری است که کامپایلرها انجام می دهند.

مکانیسم کلی کار کامپایلرها به این صورت است که برنامه مبدا را خوانده و یک شکل میانی از آن ایجاد نموده و سرانجام آن را به زبان دیگری مانند اسمبلی تبدیل می کند و زبان اسمبلی نیز از شکل میانی برنامه شکل قابل فهم سیستم و یا همان صفر و یک ها را ایجاد و آن ها را در قالب Memory Word برای سیستم و سخت افزار مهیا می نماید. لذا تبدیل شکل ابتدایی برنامه مقصد به یک شکل اجرایی سیستمی از وظایف کامپایلر ها می باشد. البته باید توجه کنیم که کامپایلرها بر اساس قواعد و گرامر زبان مبدا اقدام به تولید زبان مقصد می نمایند.

کامپایلر نویسان برای سهولت در طراحی، اجزای کامپایلر را به بخش های زیر تقسیم بندی می کنند که هر یک عملی را انجام می دهد:

الف) تحلیل گر لغوی (Lexer): در واقع طولانی ترین پروسه را انجام می دهد، با زبان مبدا مستقیما در تعامل بوده و مستقل از زبان مقصد می باشد. تحلیل گر لغوی با خواندن زبان ورودی آن را به مجموعه ای از نشانه های قابل فهم برای تجزیه کننده تقسیم بندی می کند. میدانیم که جملات یک زبان از رشته هایی از نشانه ها تشکیل شده است و دنباله ای از این کاراکترهای ورودی که یک نشانه را تشکیل می دهند یک لغت (Lexeme) نامیده می شوند.

توضیحات، فضاهای سفید و فاصله ها توسط تحلیل گر لغوی نادیده گرفته می شود، سپس نشانه های تولیدی را در جدولی به نام جدول نمادها قرار می دهد و اشاره گری برای دسترسی پارسر به آن ها را بر می گرداند. تشخیص شناسه ها و کلمات کلیدی نیز از جمله مواردی است که Lexer باید آن ها را نیز تشخیص دهد و از سایر نشانه ها تمیز دهد.
بنابراین به طور خلاصه Lexer کاراکترها را از ورودی می خواند، آن ها را به صورت لغت دسته بندی می کند و نشانه های ایجاد شده توسط لغت ها را به همراه مقادیر خصیصه آن ها به مرحله های بعدی کامپایلر منتقل می کند. نشانه های تولید شده در پارسر و یا تجزیه کننده مورد استفاده قرار می گیرد.

ب) تحلیل گر ساختار دستور (Parser): پارسر (Parser) بررسی می کند که آیا می توان دنباله ای از نشانه های ایجاد شده را توسط گرامر زبان مورد نظر تولید نمود یا نه. در واقع پارسر مهم ترین عمل را در طراحی کامپایلر انجام می دهد و آن تولید دنباله از از رشته ها توسط گرامر زبان مبدا می باشد. به طور کل هنگام تحلیل ساختار دستور، نشانه هایی که در زبان مبدا قرار دارند را به عبارت های گرامری دسته بندی می کنیم به طوری که کامپایلر بتواند مجددا با استفاده از آن ها خروجی را ترکیب بندی کند. عبارت های تولید شده را توسط درخت تجزیه نمایش می دهند که درختی است که فرزندان هر گره عبارات سمت راست قوانین گرامر و پدر آن ها سمت چپ هر گره می باشد و گره های برگ مشتمل بر پایانی ها می باشند و یک دنباله از آن ها یک رشته از گرامر را نشان می دهند.

ج) تحلیل گر معنایی (Syntax Analyzer): فاز تحلیل معنایی برنامه مبدا را برای پیدا کردن خطاهای معنایی بررسی کرده و اطلاعات مربوط به نوع داده ها را در درخت تجزیه حاشیه نویسی می کند مثلا بررسی می کند که یک رشته حرفی با یک عدد جمع نزده شده باشد و مانند آن. مجاز بودن نوع داده ها نیز در این بخش بررسی می شود. در واقع در زمان تحلیل معنایی، کامپایلر ساختارهایی را کشف می کند که از نظر ساختار دستوری صحیح هستند اما در رابطه با عملی که انجام می دهند بی معنی هستند.

د) تولید کننده کد میانی: د راین بخش یک شکل میانی قابل فهم اسمبلر و یا یک نمایش میانی صریح از برنامه مبدا تولید می کند که می توان آن را برنامه ای برای یک ماشین انتزاعی در نظر گرفت (مفهوم انتزاعی به معنای قابل فهم بودن برای انسان است نه ماشین) و باید دارای دو ویژگی سهولت تولید و سهولت تبدیل به برنامه مقصد باشد.
نمایش میانی می تواند شکل های گوناگونی داشته باشد مانند صفر، یک، دو، سه و چهار آدرسه. در ساختار فرضا سه آدرسه در هر ثبات می توان سه آدرس را شامل عملگر، عملوند اول و عملوند دوم قرار داد. محاسبه عبارات، نظارت بر ساختارهای جریان کنترلی و احضار رویه ها نیز در این بخش توسط مولد کد میانی صورت می گیرد.

هـ) بهینه ساز کد(Optimizer): کدی که تولید می کنیم باید دو شرط صرفه جویی در حافظه و در زمان اجرا را برآورده کند. گاهی وقت ها کد ما بسیار پیچیده است و با اعمال جایگزینی ها و حذف و درج ها می توان آن را ساده تر و کاراتر نمود. تغییر ساختارهای آدرس دهی نیز می تواند کد را بهینه تر سازد. سرعت اجرا نیز باید در نظر گرفته شود.

و) تولید کد: آخرین فاز کامپایلر، تولید کد مقصد می باشد که معمولا شامل کد ماشین جابه جا پذیر یا کد اسمبلی است. تخصیص حافظه به هر یک از متغیرهای برنامه در این فاز انجام می شود. آن گاه هر یک از دستورهای میانی به یک دنباله از دستورهای ماشین که همان کار را انجام میدهند ترجمه می شوند. یک جنبه مهم آن، جایگزینی متغیرها در ثبات ها می باشد.