Table Of ContentSpringer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Reinhard Wilhelm · Dieter Maurer
Obersetzerbau
Theorie, Konstruktion, Generierung
Zweite, iiberarbeitete
und erweiterte Auflage
Mit 166 Abbildungen
und 70 Tabellen
i
Springer
Prof. Dr. Reinhard Wilhelm
Universitiit des Saarlandes
Fachbereich 14. Informatik
Postfach 15 11 50
D-66041Saarbrficken
Dr. Dieter Maurer
Saarbrficker Zeitung Verlag und Druckerei GmbH
Abteilung Informationssysteme
GutenbergstraGe 11-23
D-66117 Saarbrficken
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Wilhelm, Reinhard:
Obersetzerbau : Theorie, Konstruktion. Generierung ; mit 70 TabeUen /
Reinhard Wtlhelm ; Dieter Maurer. -2. •• Oberarb. und erw. Aufl. -
Berlin; Heidelberg ; New York; Barcelona • Budapest; Hongkong ; London ; Mailand ;
Paris; Santa Clara; Singapur ; Tokio : Springer. 1997
(Springer-Lehrbuch)
ISBN 978-3-540-61692-4 ISBN 978-3-642-59081-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-59081-8
NE: Maurer. Dieter
ISBN 978-3-540-61692-4
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C Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992., 1997
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide\berg New York 1997
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rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme. daG solche Namen im Sinne der
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mann benutzt werden dOrften.
Satz: Reproreife Vorlage der Autoren
EinbandgestaItung: design & prodllction GmbH. Heide1berg
SPIN: 10543571 45/3142. -5 4 3 2. 1 o -Gedruckt auf silurefreiem Papier
Fur Margret, Hannah, Eva, Barbara
R. W.
Vorwort zur zweiten Auflage
Die wesentliche Anderung gegeniiber der ersten Auflage besteht in der Erwei
terung urn ein Kapitel iiber die Ubersetzung objektorientierter Sprachen. Darin
wird gezeigt, wie einfache und mehrfache Vererbung implementiert werden.
AuBerdem wurden Fehler und Inkonsistenzen aus der ersten Auflage besei
tigt. Hinweise dazu haben wir von zahlreichen Lesern erhalten. Besonders danken
mochten wir Hans Briiggemann, Reinhold Heckmann, Sonke Kannapinn, Mario
Kroplin, Bernhard Moller, Heinrich Roscheisen, Helmut Seidl, Fran~ois Thomas
set, Martin Zentner und vor allem Helmut Partsch. Die J~TEX-Quellen und -Styles
wurden von Henning Biermann und Patrik Zeimetz sorgfaltig iiberarbeitet.
Saarbriicken, November 1996 Reinhard Wilhelm, Dieter Maurer
Weiteres Material zu diesem Buch, u.a. Beschreibungen von Projekten,
unterstiitzende Software und Visualisierungen, findet man im Internet unter:
http://www.cs.uni-sb.de/RW/compbook.html
Vorwort zur erst en A ufiage
Ubersetzer fUr h6here Programmiersprachen sind groBe komplexe Softwaresy
sterne. Sie haben aber einige besondere Eigenschaften, die sie vor den meisten
anderen Softwaresystemen auszeichnen.
Ihre Funktionalitat ist (fast) wohldefiniert. Idealerweise existieren vollstan
dige formale oder zumindest prazise Beschreibungen der Quellsprache und der
Zielsprache. Haufig gibt es dazu noch Beschreibungen von Schnittstellen zum
Betriebssystem, zum Programmiersystem und zu Programmierumgebungen, zu
anderen Ubersetzern und zu Programmbibliotheken.
Die Zerlegung der Ubersetzungsaufgabe in Teilaufgaben mit wohldefinierten
Schnittstellen ist wohlverstanden. Daraus ergibt sich eine natiirliche modulare
Struktur, die iibrigens auch die iibliche Struktur der Ubersetzerbaubiicher indu
ziert.
Die verschiedenen Teilaufgaben der Ubersetzung sind teilweise sehr weitge
hend untersucht. Die entsprechenden Theorien wurden eigens entwickelt oder
etwa aus der Theorie der formalen Sprachen und Automaten iibernommen. Sie
liefern gute Grundlagen fiir die Realisierung von Moduln fiir Ubersetzerteilauf
gaben. Fiir einige der Teilaufgaben gibt es sogar Mechanismen fUr die form ale
Beschreibung von Teilaufgaben und Generierungsverfahren, die aus solchen for
malen Beschreibungen automatisch Ubersetzerteile erzeugen. Viele solche Gene
ratoren sind verfiigbar und in Gebrauch.
Dieses Buch ist kein Kochbuch. Man findet hier keine Rezepte der Art: "Urn
einen Ubersetzer von der Quellsprache X in die Maschinensprache Y zu kon
struieren, nehme man .... " Die Darstellung reflektiert die oben aufgezahlten
Besonderheiten des Ubersetzerbaus, insbesondere die Existenz der Theorie und
der automatischen Generierungsverfahren.
Dieses Buch ist fiir Studenten im Hauptstudium des Studienfachs Informatik
bestimmt. Die Kenntnis zumindest einer imperativen Programmiersprache wird
vorausgesetzt. In den Kapiteln zur Ubersetzung von funktionalen und logischen
Programmiersprachen wird zwar eine langere Einleitung in die Konzepte dieser
Sprachklassen gegebenj es ist jedoch ratsam, eine moderne funktionale Sprache
und Prolog zu erlernen, urn die entsprechenden Kapitel besser zu verstehen. Au
Berdem wird der Leser von einer guten Grundlage an Kenntnissen in der Theorie
der formalen Sprachen und der Automaten profitieren, obwohl die notwendige
Theorie jeweils vollstandig dargestellt ist.
x Vorwort zur ersten Auftage
Autbau des Buches
Die Kapitel 2 bis 5 beschreiben, was ein Ubersetzer tut, also welche Korrespon
denz zwischen einem Quellprogramm und einem Zielprogramm er herstellt. Dazu
werden fUr eine imperative, eine funktionale und eine logische Programmierspra
che jeweils eine geeignete abstrakte Maschine angegeben und die Ubersetzung
von Programmen in der jeweiligen Quellsprache in die Sprache der zugehorigen
abstrakten Maschine prazise beschrieben.
Ausgangspunkt der Ubersetzung ist allerdings jeweils so etwas wie ein ana
lysiertes Quellprogramm, spater als zugehOrige dekorierte abstrakte Syntax be
zeichnet.
In den Kapiteln 6 bis 12 wird dann das Wie der Ubersetzung beschrieben,
niimlich wie unterteilt man den Ubersetzungsprozef3 in einzelne Phasen, welche
Aufgaben erledigen die einzelnen Phasen, welche Techniken benutzt man in ih
nen, wie kann man formal beschreiben, was sie tun, und wie aus einer solchen
Beschreibung sogar automatisch ein Ubersetzermodul erzeugen.
Je nach zur Verfiigung stehender Zeit kann aus diesem Buch Stoff fiir eine
einsemestrige oder eine zweisemestrige Veranstaltung ausgewiihlt werden. Eine
eher konventionelle, einsemestrige Vorlesung iiber die Ubersetzung imperativer
Sprachen wiirde das Kapitel 2 und Material aus den Kapiteln 6 bis 12 behandeln.
Eine zweisemestrige Vorlesung wird in jedem Fall auch die Ubersetzung funktio
naler und logischer Programmiersprachen und die Gebiete mit abdecken konnen,
die Gegenstand aktueller Forschung sind, wie die abstrakte Interpretation und
die Codeerzeugung fUr parallele Zielarchitekturen.
Danksagungen
Das Buch ist wiihrend mehrerer Vorlesungen der beiden Autoren an der Univer
sitiit des Saarlandes in Saarbriicken entstanden. Der erste Durchlauf durch einen
damals dreisemestrigen Zyklus fand in den Jahren 1987/88 statt.
Engagierte Mitarbeit und konstruktive Kritik haben wir von so vielen Mitar
beitern und Horern erfahren, daf3 wir hier nicht allen namentlich danken konnen.
Besonders verpflichtet sind wir Martin Alt, Ingrid Biehl, Christian Fecht, Christi
an Ferdinand, Reinhold Heckmann, Andreas Hense, Stefan Kahrs, Peter Lipps,
Gudula Riinger, Georg Sander und Helmut Seidl. Die 1EXnikerInnen Christine
Wentz und Patrik Zeimetz haben geduldig mehrere Revisionen durchlitten.
Saarbriicken, St. Ingbert, April 1992 Reinhard Wilhelm, Dieter Maurer
Inhalt
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Hohere Programmiersprachen . . . . . . . . 1
1.2 Implementierung von Programmiersprachen 2
1.2.1 Interpreter .......... . 2
1.2.2 Ubersetzer. . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Reale und abstrakte Maschinen 4
2 Ubersetzung imperativer Programmiersprachen 7
2.1 Sprachkonzepte und ihre Ubersetzung 7
2.2 Die Architektur der P-Maschine ............ . 8
2.3 Wertzuweisungen und Ausdriicke ........... . 9
2.4 Bedingte und iterative Anweisungen, Anweisungsfolgen 12
2.5 Speicherbelegung fiir Variablen einfachen Typs 17
2.6 Speicherbelegung fiir Felder 18
2.6.1 Statische Felder. . . . . . . . . 18
2.6.2 Dynamische Felder . . . . . . . 23
2.7 Speicherbelegung fiir Verbunde 26
2.8 Zeiger und dynamische Speicherbelegung . 27
2.9 Prozeduren ............. . 31
2.9.1 Speicherorganisation fur Prozeduren 36
2.9.2 Adressierung von Variablen . . . . . 39
2.9.3 Berechnung der AdreBumgebungen 43
2.9.4 Prozedureintritt und Prozedurverlassen . 46
2.9.5 Parameteriibergabe. . . . . . . . . . . . 49
2.9.6 Zugriff auf Variablen und formale Parameter. 52
2.9.7 Formale Prozeduren als Parameter 53
2.10 Hauptprogramm 56
2.11 Ubungen ..... 58
2.12 Literaturhinweise . 62
3 Ubersetzung funktionaler Programmiersprachen . 63
3.1 Sprachtyp und einleitendes Beispiel . . . . . . . . . . 63
3.2 LaMa, eine einfache funktionale Programmiersprache 72
3.3 Einfiihrung in die Ubersetzung von LaMa 78
3.3.1 Die Ubersetzungsfunktionen . 81
3.4 Umgebungen und Bindungen ...... . 82
XII Inhalt
3.5 Die Architektur der MaMa 84
3.5.1 Der Keller der MaMa ... 85
3.5.2 Die Halde der MaMa . . . . 87
3.6 Kellerverwaltung und Adressierung 89
3.6.1 Adressierung von Namen in der MaMa 89
3.6.2 Aufbau von Bindungen. . . . . 91
3.7 Befehlsvorrat und Ubersetzung 92
3.7.1 Programmausdriicke . . . . . . 92
3.7.2 Einfache Ausdriicke ..... . 93
3.7.3 Angewandte Vorkommen von Variablen 94
3.7.4 Funktionsdefinitionen ......... . 96
3.7.5 Funktionsanwendungen ........ . 97
3.7.6 Aufbau und Auswertung von Abschliissen 100
3.7.7 Letrec-Ausdriicke und lokale Variablen 104
3.8 Implementierung von Listen 105
3.9 Ubungen ..... III
3.10 Literaturhinweise . . . . . . 113
4 Ubersetzung logischer Programmiersprachen 115
4.1 Logische Programmiersprachen 115
4.2 Pradikatenlogische Grundlagen . . . . . 119
4.3 Unifikation ............... . 122
4.4 Ausfiihrung von logischen Programmen . 126
4.5 Prolog .... 134
4.5.1 Beweisbaume . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.5.2 Umgebungen .............. . 138
4.6 Prolog: Abstrakte Maschine und Ubersetzung 140
4.6.1 Entwicklung der Prolog Implementierung . 140
4.6.2 Die Architektur der WiM 141
4.7 Ubersetzung von Prolog 144
4.7.1 Ziele ........... . 144
4.7.2 Kopfterme ........ . 146
4.7.3 Ubersetzung von Klauseln 151
4.7.4 Zuriicksetzen (Backtracking) . 153
4.7.5 Prozeduren, Programme und Anfragen 156
4.7.6 Ein Beispiel . . . . . . . 158
4.8 Effizienzver besserungen 162
4.8.1 Argumentregister . . . . 162
4.8.2 Riicksetzrahmen . . . . 163
4.8.3 Verkleinerung der lokalen Umgebung 165
4.8.4 Letztes Ziel und Endrekursion . 166
4.8.5 Indizieren von Klauseln 168
4.9 Ubungen ..... 169
4.10 Literaturhinweise . . . . 171
