Übersetzerbau: Band 3: Analyse und Transformation

186 Pages·2010·1.67 MB·German

by  Helmut Seidl

eXamen.press
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Praxis aus allen Bereichen der Informatik für
dieHochschulausbildungvermittelt.
· ·
Helmut Seidl Reinhard Wilhelm
Sebastian Hack
Übersetzerbau
Band 3: Analyse und Transformation
123
HelmutSeidl ReinhardWilhelm
TechnischeUniversitätMünchen UniversitätdesSaarlandes
InstitutfürInformatik–I2 FBInformatik
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85748Garching [email protected]
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SebastianHack
UniversitätdesSaarlandes
FBInformatik
66041Saarbrücken
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Das vorliegende Buch ist als Neuauflage aus dem Buch Wilhelm, R.; Maurer, D. Übersetzerbau:
Theorie,Konstruktion,Generierunghervorgegangen,dasinder1.Auflage(ISBN3-540-55704-0)und
der2.Auflage(ISBN3-540-61692-6)imSpringer-Verlagerschien.
ISSN1614-5216
ISBN978-3-642-03329-2 e-ISBN978-3-642-03331-5
DOI10.1007/978-3-642-03331-5
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berechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinne
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jedermannbenutztwerdendürften.
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Vorwort
Übersetzer für Programmiersprachen müssen nicht nur Programme der Quellspra-
chekorrekt inProgrammederZielsprache,meisteinerMaschinensprache,überset-
zen. Darüber hinaus sollen sie häufig auch noch möglichst guten Code erzeugen.
Als eine Entwicklermannschaft der IBM unter der Leitung von John W. Backus in
den frühen 50er Jahren den ersten Übersetzer für die Programmiersprache FORT-
RAN entwarf und realisierte, war der Zielrechner nach heutigen Maßstäben extrem
kleinundextremlangsam.DeshalbisteskeinWunder,dassdieIdeeeineroptimie-
rendenÜbersetzungaufkam.DiesesolltediebescheidenenMaschinenressourcenso
geschicktwiemöglichausnutzen.
Als imperative Programmiersprache war FORTRAN vor allem für numerische
Berechnungen gedacht. Für diesen Zweck bietet FORTRAN als wichtigste Sprach-
konstrukte Felder zur Speicherung von Vektoren und Matrizen an und Schleifen,
um Algorithmen darauf zu formulieren. Felder und Schleifen bieten einen großen
SpielraumfürProgrammtransformationenzurVerbesserungderEffizienz.InFORT-
RAN sind Felder strukturell recht nahe an den mathematischen Objekten, die man
inihnenspeichert.ElementeeinesmultidimensionalenFeldswerdendurchmehrfa-
cheIndizierungmitganzzahligenAusdrückenausgewählt,waszurelativkomplexen
Adressberechnungen führt. Einfache numerische Algorithmen verwenden anderer-
seitshäufigidentischeIndexausdrückeanunterschiedlichenStellendesProgramms,
wofür eine naive Codeerzeugung immer die gleichen Berechnungsfolgen erzeugen
würde.EbenfallssehrverbreitetsindSchleifen,beiderenDurchlaufdieIndizierung
mitkonstanterSchrittweiteweitergeschaltetwird.SolcheBeobachtungengabenden
ÜbersetzerbauernHinweise,woOptimierungenansetzenkönnten.Sehrbaldwurden
Transformationen zur Steigerung der Ausführungseffizienz vorgeschlagen. Unvor-
sichtig angewendet, verändern diese jedoch die Semantik des Programms. Deshalb
musstendiegenauenVoraussetzungengeklärtwerden,unterdenendieTransforma-
tionenüberhauptanwendbarsind.InderRegelhängtdieAnwendbarkeitvongloba-
lenEigenschaftendesProgrammsab,welchedurcheinestatischeAnalyseimÜber-
setzerermitteltwerdenmüssen.
Dies war die Geburtsstunde der Datenflussanalyse. Der Name kommt wohl da-
her, dass diese Analysen den Fluss von Eigenschaften der Variablenwerte von Pro-
VI Vorwort
grammpunkt zu Programmpunkt untersuchten. Die Theorie zur statischen Analyse
vonProgrammenkonnteerstinden70erJahrenentwickeltwerden,alsdieSeman-
tikvonProgrammiersprachenaufeinesolidemathematischeGrundlagegestelltwar.
Den größten Einfluss hatten die beiden Dissertationen von Gary A. Killdall (1972)
undvonPatrickCousot(1978).GaryKildallklärtedieverbandstheoretischenGrund-
lagenderDatenflussanalyse.PatrickCousotstelltedieentscheidendeBeziehungzur
SemantikderProgrammierspracheherundnanntedeshalbdiestatischeAnalyseab-
strakteInterpretation.SeinAnsatzermöglichtees,dieKorrektheitstatischerAnaly-
senzubeweisenundsogarAnalysenzuentwerfen,dieschonaufGrundihrerKon-
struktionkorrektsind.
DieUrsprüngevonDatenflussanalysewievonabstrakterInterpretationliegenal-
soimÜbersetzerbau.AllerdingshatsichdiestatischeProgrammanalyselängstvon
ihrererstenAnwendung beiderCodeerzeugung emanzipiertundistzueinerwich-
tigen Verifikationsmethode geworden. Heute überprüfen statische Analysen Sicher-
heitseigenschaftenvonProgrammen,wieetwadieAbwesenheitvonLaufzeitfehlern,
oderweisendiepartielleKorrektheitvonProgrammennach.SieberechnenLaufzeit-
schrankenfüreingebetteteEchtzeitsystemeoderermittelnSynchronitätseigenschaf-
tennebenläufigerProgrammeundwerdensomehrundmehrzueinemunverzichtba-
renHilfsmittelbeiderEntwicklungzuverlässigerSoftware.
DiesesBuchbehandeltdiePhasederÜbersetzung,inderdieEffizienzdesPro-
gramms durch semantikerhaltende Transformationen gesteigert wird. Es stellt die
notwendigen Techniken der statischen Analyse vor. Neben den Analysen werden
auch die Transformationen auf präzise Weise beschrieben. Dazu wird eine kleine
Kernsprache mit einer einfachen operationellen Semantik eingeführt, auf die sich
dievorgestelltenAnalysenundTransformationenbeziehen.
IndemBandWilhelm/Seidl:Übersetzerbau–VirtuelleMaschinenwurdederAn-
spruch realisiert, mehrere Programmierparadigmen zu behandeln. In diesem Band
werden deshalb neben Analysen und optimierenden Transformationen von impera-
tiven Programmen auch solche von funktionalen Programmen beschrieben. Funk-
tionale Sprachen basieren semantisch auf demλ-Kalkül und weisen eine weit ent-
wickelteTheoriederProgrammtransformationenauf.
WirwünschenunserenLeserneineertragreicheLektüre.
MünchenundSaarbrücken,imAugust2009.
HelmutSeidl,ReinhardWilhelmundSebastianHack
Vorwort VII
AllgemeineLiteraturhinweise
DieListederMonographien,dieeinenÜberblicküberTechnikenzustatischerPro-
grammanalyse und abstrakter Interpretation geben, ist erstaunlich kurz. Das Buch
von Matthew S. Hecht [Hec77], das die klassischen Ergebnisse zur Datenflussana-
lyse zusammenfasst, ist immer noch lesenswert. Der Sammelband von Steven S.
Muchnick und Neil D. Jones wenige Jahre später enthält viele originale und ein-
flussreiche Beiträge zur Analyse rekursiver Prozeduren und dynamischer Daten-
strukturen [MJ81]. Einen ähnlichen Sammelband speziell für deklarative Sprachen
habenSamsonAbramskyundChrisHankinherausgegeben[AH87].Eineumfassen-
de, moderne Darstellung bieten Flemming Nielson, Hanne Riis Nielson und Chris
Hankin[NNH99].
EineReiheumfassendererDastellungendesÜbersetzerbausenthaltenausführli-
cheKapitelüberDatenflussanalyse[AG04,CT04,ALSU07].Sehrausführlichwird
diesesThemaauchinStevenS.Muchnick’sMonographie“AdvancedCompilerDe-
sign and Implementation” [Muc97] behandelt. Das Handbuch zum Übersetzerbau,
herausgegeben von Y.N. Srikant und Priti Shankar [SS03], behandelt ausführlich
Codeerzeugungstechniken für verschiedene Architekturen, bietetaber auch Kapitel
überDatenflussanalyse,Shape-AnalyseundspezielleTechnikenfürobjektorientierte
Programmiersprachen.
DieEntwicklungbeweisbarkorrekterÜbersetzer[Ler09,TL09]hatindenletz-
tenJahrenauchzuverstärktemInteresseanKorrektheitsbeweisenfürProgrammop-
timierungengeführt.TechnikenzursystematischenAbleitungkorrekterProgramm-
transformationen stellen Patrick und Radia Cousot [CC02] vor. Automatisches Be-
weisen der Korrektheit optimierender Transformationen behandeln Sorin Lerner
[LMC03,LMRC05,KTL09].
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenundintraprozeduraleOptimierung ................... 1
1.1 Einführung................................................ 1
1.2 VermeidungüberflüssigerBerechnungen ....................... 7
1.3 Exkurs:EineoperationelleSemantik .......................... 8
1.4 BeseitigungvonMehrfachberechnungen ....................... 11
1.5 Exkurs:VollständigeVerbände ............................... 16
1.6 KleinsteLösungoderMOP–Lösung?.......................... 27
1.7 BeseitigungvonZuweisungenantoteVariablen................. 32
1.8 BeseitigungvonZuweisungenzwischenVariablen............... 40
1.9 Konstantenfaltung .......................................... 43
1.10 Intervallanalyse ............................................ 54
1.11 Aliasanalyse............................................... 68
1.12 Fixpunktalgorithmen........................................ 83
1.13 BeseitigungteilweiserRedundanzen........................... 90
1.14 Anwendung:SchleifeninvarianterCode ........................ 97
1.15 BeseitigungteilweisetoterZuweisungen ....................... 102
1.16 Aufgaben ................................................. 109
1.17 Literaturhinweise........................................... 113
2 InterprozeduraleOptimierungen ................................ 115
2.1 Inlining................................................... 120
2.2 BeseitigungletzterAufrufe .................................. 122
2.3 InterprozeduraleAnalyse .................................... 124
2.4 DerfunktionaleAnsatz...................................... 125
2.5 InterprozeduraleErreichbarkeit............................... 130
2.6 BedarfsgetriebeneinterprozeduraleAnalyse .................... 131
2.7 DerCall-String-Ansatz...................................... 134
2.8 Aufgaben ................................................. 136
2.9 Literaturhinweise........................................... 137
X Inhaltsverzeichnis
3 OptimierungfunktionalerProgramme ........................... 139
3.1 EineeinfachefunktionaleProgrammiersprache.................. 140
3.2 EinigeeinfacheOptimierungen ............................... 141
3.3 Inlining................................................... 144
3.4 SpezialisierungrekursiverFunktionen ......................... 146
3.5 EineverbesserteWertanalyse................................. 148
3.6 BeseitigungvonZwischendatenstrukturen...................... 153
3.7 VerbesserungderAuswertungsreihenfolge:DieStriktheitsanalyse.. 157
3.8 Aufgaben ................................................. 165
3.9 Literaturhinweise........................................... 168
Literaturverzeichnis ................................................ 171
Stichwortverzeichnis................................................ 175