Übersetzerbau VU
Übungsskriptum

Anton Ertl
Andreas Krall

2017

1 Anmeldung

Melden Sie sich in unserem Anmeldesystem https://www.complang.tuwien.ac.at/anmeldung/ für die Lehrveranstaltung an. Mit der Anmeldung wird ein Account für Sie auf unserer Übungsmaschine g0.complang.tuwien.ac.at eingerichtet, der Accountname ist u gefolgt von der Matrikelnummer, z.B. u9999999. Das Passwort für diesen Account geben Sie bei der Anmeldung ein.

2 Rechner

Die Übungsmaschine ist g0.complang.tuwien.ac.at; sollte sie längerfristig ausfallen, steht als Ersatzmaschine g2.complang.tuwien.ac.at zur Verfügung (Sie können sich aber vorerst nicht auf die Ersatzmaschine einloggen). Sie können sich aus dem Internet mit ssh g0.complang.tuwien.ac.at einloggen; falls Sie sich von einem Windows-Client aus einloggen wollen, können Sie das mit Putty tun.

Falls Sie Ihre Programme woanders entwickeln, müssen Sie Ihre Dateien für die Abgabe mit scp (eine ssh-Anwendung) auf unsere Rechner übertragen. Rufen Sie dann unbedingt das Test-Skript für das Beispiel auf der Übungsmaschine auf, damit Sie eventuelle Fehler mit katastrophalen Auswirkungen bemerken (wie z.B. das Kopieren in das falsche Verzeichnis).

Die in der Übung verwendeten Werkzeuge sind für verschiedene Plattformen auf http://www.complang.tuwien.ac.at/ubvl/tools/ erhältlich (allerdings recht veraltet).

Wenn Sie selbst ein .forward-File einrichten oder ändern, testen Sie es unbedingt! Wenn es nicht funktioniert, haben wir keine Möglichkeit, Sie zu erreichen (z.B. um Ihnen die Ergebnisse der Abgabe mitzuteilen).

3 Betreuung, Information

Im WWW finden Sie unter http://www.complang.tuwien.ac.at/ubvl/ Informationen zur Übung.

Verlautbarungen zur Übung (z.B. Klarstellungen zur Angabe) gibt es im Informatikforum (Details dazu siehe Übungshomepage).

Wenn Sie eine Frage zur Übung haben, stellen Sie sie am besten im Informatikforum (dann können auch andere antworten oder von der Antwort profitieren). Sie können auch den Leiter der Übung per Email fragen anton@mips.complang.tuwien.ac.at, oder in einer Sprechstunde (Termin per Email vereinbaren).

Technische Probleme wie Computerabstürze, falsche Permissions, oder vergessene Passwörter sind eine Sache für den Techniker. Wenden Sie sich direkt an ihn: email an Herbert Pohlai (herbert@mips.complang.tuwien.ac.at), Tel. (+43-1) 58801/18525.

4 Beispiele

Die Beispiele finden Sie weiter hinten im Skriptum. Beachten Sie, dass die ersten Beispiele erfahrungsgemäß wesentlich leichter sind als die Beispiele „Attributierte Grammatik“ bis „Gesamtbeispiel“. Versuchen Sie, mit den ersten Beispielen möglichst rasch fertig zu werden, um genügend Zeit für die Schwierigeren zu haben.

5 Beurteilung

Ihre Note wird aufgrund der Qualität der von Ihnen abgegebenen Programme ermittelt. Das Hauptkriterium ist dabei die Korrektheit. Sie wird mechanisch überprüft, Sie erhalten per Email das Ergebnis der Prüfung. Wenn Sie meinen, dass sich das Prüfprogramm geirrt hat, wenden Sie sich an den Leiter der Übung.

Die Prüfprogramme sind relativ einfach, dumm und kaum fehlertolerant. Damit Sie prüfen können, ob Ihr Programm im richtigen Format ausgibt und ähnliche wichtige Kleinigkeiten, stehen Ihnen die Testprogramme und einige einfache Testeingaben und -resultate zur Verfügung; Sie können die Testprogramme auch benutzen, um Ihre Programme mit eigenen Testfällen zu prüfen (siehe http://www.complang.tuwien.ac.at/ubvl/).

Beachten Sie, dass bei der Abgabe die Überprüfung mit wesentlich komplizierteren Testfällen erfolgt als denen, die wir Ihnen vorher zur Verfügung stellen (vor allem ab dem Scanner-Beispiel). Ein erfolgreiches Absolvieren der Ihnen vorher zur Verfügung stehenden Tests heißt also noch lange nicht, dass Ihr Programm korrekt ist. Sie müssen sich selbst weitere Testfälle überlegen (wie auch im Berufsleben).

Ihre Programme werden zu den angegebenen Terminen kopiert und später überprüft. Ändern Sie zu den Abgabeterminen zwischen 14h und 15h nichts im Abgabeverzeichnis, damit es nicht zu inkonsistenten Abgaben kommt.

Ein paar Tage nach der Abgabe erhalten Sie das Ergebnis per Email. Das Ausschicken der Ergebnisse wird auch im LVA-Forum verkündet, Sie brauchen also nicht nachfragen, wenn Sie dort noch nichts gesehen haben. Eine Arbeitswoche nach der ersten Abgabe werden Ihre (eventuell von Ihnen verbesserten) Programme erneut kopiert und überprüft. Diese Version wird mit 70% der Punkte eines rechtzeitig abgegebenen Programms gewertet. Das ganze wiederholt sich zwei Arbeitswochen nach dem ersten Abgabetermin (30% der Punkte). Sie erhalten für das Beispiel das Maximum der drei Ergebnisse.

Sollten Sie versuchen, durch Kopieren oder Abschreiben von Programmen eine Leistung vorzutäuschen, die Sie nicht erbracht haben, erhalten Sie keine positive Note. Die Kontrolle erfolgt in einem Gespräch am Ende des Semesters, in dem überprüft wird, ob Sie auch verstehen, was Sie abgegeben haben. Weitere Maßnahmen behalten wir uns vor.

Ihr Account ist nur für Sie lesbar. Bringen Sie andere nicht durch Ändern der Permissions in Versuchung, zu schummeln.


__________________________________________________________________________
Name online Doku Bemerkung



emacs, vi info emacs, man vi Editor
gcc info as Assembler
gcc info gcc C-Compiler
make info make baut Programme
flex man flex Scanner-Generator
yacc, bisonman yacc, info bison Parser-Generator
xvcg man xvcg Graphenzeichnen
ox man ox AG-basierter
xdvi /usr/ftp/pub/ubvl/oxURM.dviCompilergenerator
burg, iburgman iburg, man burg Baumparser-Generator
bfe Skriptum Präprozessor für burg
gdb info gdb Debugger
objdump info objdump Disassembler etc.
mutt, mail man mutt, man mail Email
xrn man xrn Newsreader
lynx, WWW-Browser
mozilla
firefox
____________________________________________________
Abbildung 1: Werkzeuge

6 Weitere Dokumentation bzw. Werkzeuge

Abbildung 1 zeigt die zur Verfügung stehenden Werkzeuge.

Die mit „man“ gekennzeichnete Dokumentation können Sie lesen, indem sie auf der Kommandozeile man ... eintippen. Die mit „info“ gekennzeichnete Dokumentation können Sie mit dem Programm info lesen, oder indem sie in Emacs C-h i tippen. In der Dokumentation für Emacs bedeutet C-x Ctrlx und M-x Metax (auf den Übungsgeräten also Altx).

Alle Werkzeuge rufen Sie von der Shell-Kommandozeile aus auf, indem Sie ihren Namen tippen.

Mit flex erzeugte Scanner müssen normalerweise mit -lfl gelinkt werden.

Das auf den Übungsgeräten unter yacc aufrufbare Programm ist bison -y (für den Fall, dass Sie Diskrepanzen zwischen diesem yacc und dem auf kommerziellen Unices bemerken). Mit xvcg können Sie sich die Ausgabe von bison -g anschauen.

mail ist ein primitives Email-Werkzeug, mutt ist etwas bequemer1.

Das Ox User Reference Manual ist nicht in diesem Skriptum abgedruckt, sondern steht nur on-line zur Verfügung, da es relativ umfangreich ist und nur ein Teil der enthaltenen Information in dieser Übung nützlich ist.

7 Beispiele

Es sind insgesamt acht Beispiele abzugeben. Die ersten beiden Beispiele dienen dem Erlernen von Konzepten von Computerarchitekturen am Beispiel der AMD64-Architektur. In den weiteren Beispielen wird eine Programmiersprache vollständig implementiert. Diese Beispiele bauen aufeinander auf, d.h. Fehler, die Sie in den ersten Sprachimplementierungsbeispielen machen, sollten Sie beheben, damit sie in späteren Abgaben die Beurteilung nicht verschlechtern. Bei der Implementierung der Sprache wird mit jedem Beispiel (ausgenommen die letzten) auch ein neues Werkzeug eingeführt, das nach Einarbeitung in die Verwendungsweise des Werkzeugs die Arbeit erleichtert.

Die zu implementierende Sprache ist eingeschränkt, um den Arbeitsaufwand nicht zu groß werden zu lassen. So sind in dieser Sprache zwar grundlegende Kontrollstrukturen vorhanden und es können Variablen definiert werden, aber Speicher für Datenstrukturen kann nicht innerhalb dieser Sprache angefordert werden. Sprachkonstrukte für Speicherzugriffe sind jedoch vorhanden. Daher müssen bei den letzten Beispielen, um die Codegenerierung testen zu können, Datenstrukturen in einem C-Programm erzeugt werden und dann mit dem von Ihnen generierten Code gelinkt werden. Dadurch erlernen Sie auch, wie verschiedene Sprachen miteinander kombiniert werden können. Weiters gibt es keine direkte Möglichkeit, Daten ein- oder auszugeben; diese Funktionen werden durch eine C-Funktion übernommen, die Funktionen in der Sprache aufruft, oder durch Aufrufen von C-Funktionen aus Funktionen in unserer Sprache.

Die Kenntnisse, die Sie bei den Assembler-Beispielen erlangen, werden Sie auch wieder bei der Codegenerierung der letzten Beispiele verwenden. Die Beispiele 3-8 können alle aufeinander aufbauend implementiert werden, d.h. wenn Sie Ihr Programm von Anfang an gut entwerfen, können Sie dieses ab dem Scanner-Beispiel bis zum Gesamtbeispiel stets wiederverwenden und erweitern. Beachten Sie jedoch, dass bei jeder Abgabe stets das gesamte Quellprogramm im Abgabeverzeichnis vorhanden sein muss (und zwar nicht in Form von symbolic links).

In den folgenden Abschnitten finden Sie die Angaben und Erklärungen für die Modalitäten der Beispielabgaben. Von der Sprache wird in jedem Abschnitt immer nur soviel erklärt, wie für das jeweilige Beispiel notwendig ist. Wenn Sie einen Überblick über die gesamte Sprache haben wollen, sollten Sie sich gleich am Anfang alle Angaben durchlesen.

In dieser Sprache kann man, wie in vielen Programmiersprachen, auch Programme schreiben, deren Semantik nicht definiert ist, und die Ihr Compiler trotzdem nicht als fehlerhaft erkennen muss und darf. Bei solchen Programmen ist es egal, welchen Code Ihr Compiler produziert (Code aus solchen Testeingaben wird von unseren Abgabescripts ohnehin nicht ausgeführt). Ihr Compiler sollte aber für Programme mit definierter Semantik korrekten Code produzieren.

7.1 Assembler A

7.1.1 Termin

Abgabe spätestens am 15. März 2017, 14 Uhr.

7.1.2 Angabe

Wenn man eine (vorzeichenlose) zweistellige Zahl x1x0 mit einer (vorzeichenlosen) einstelligen Zahl y multipliziert, kann man das Ergebnis als (x1b + x0)y = x1yb + x0y darstellen, wobei b die Basis ist. Da man die Multiplikation mit b durch Anhängen einer 0 erreichen kann, braucht man dafuer nur Multiplikationen einer einstelligen Zahl mit einer einstelligen Zahl, und die Addition mehrstelliger Zahlen. Wenn wir die einzelnen Ziffern r2r1r0 des Ergebnisses r berechnen wollen, kommen wir auf:

r0 =   (x0y)0
r1 =   ((x1y)0 + (x0y)1)0

r2 =   (x1y)1 + c

wobei c der Überlauf der Addition aus der Addition bei der Berechnung von r1 ist.

Wenn wir nun die Multiplikation einer 128-bit-Zahl mit einer 64-bit-Zahl auf der AMD64-Architektur implementieren wollen, die eine 64-bit×64-bit-Multiplikation bietet, entspricht das genau diesem Modell, mit b = 264.

Schreiben Sie eine Funktion asma in Assembler, die eine vorzeichenlose 128-bit-Zahl in %rdi (untere 64 bits) und %rsi (obere 64 bits), eine vorzeichenlose 64-bit-Zahl in %rdx, und eine Adresse a in %rcx übergeben bekommt, die beiden Zahlen multipliziert, und das 192-bit-Ergebnis in den 24 Bytes an den Adressen a...a + 23 abspeichert, mit dem niederwertigsten Byte an der Adresse a (little-endian). Verwenden Sie in dieser Funktion die Befehle mul (die Variante mit einem expliziten Argument, die ein 128-bit-Resultat liefert, siehe AMD64-Assembler-Handbuch in diesem Skriptum) und adc.

Am einfachsten tun Sie sich dabei wahrscheinlich, wenn Sie eine einfache C-Funktion wie

void asma(unsigned long x0, unsigned long x1, unsigned long y,  
          unsigned long *a)  
{  
}

mit z.B. gcc -O -S in Assembler übersetzen und sie dann verändern. Dann stimmt schon das ganze Drumherum.

7.1.3 Hinweis

Beachten Sie, dass Sie nur dann Punkte bekommen, wenn Ihre Version mul und adc verwendet und korrekt ist, also bei gleicher (zulässiger) Eingabe das gleiche Resultat liefert wie das Original.

Zum Assemblieren und Linken verwendet man am besten gcc, der Compiler-Treiber kümmert sich dann um die richtigen Optionen für as und ld.

7.1.4 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen im Verzeichnis ˜/abgabe/asma die maßgeblichen Dateien. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und make soll eine Datei asma.o erzeugen. Diese Datei soll nur die Funktion asma enthalten, keinesfalls main. Diese Funktion soll den Aufrufkonventionen gehorchen und wird bei der Prüfung der abgegebenen Programme mit C-Code zusammengebunden.

7.2 Assembler B

7.2.1 Termin

Abgabe spätestens am 22. März 2017, 14 Uhr.

7.2.2 Angabe

Schreiben Sie eine Funktion mit dem C-Prototyp in Assembler (entsprechend der AMD64-System-V-ABI-Aufrufkonvention, siehe AMD64-Assembler-Handbuch):

void asmb(unsigned long *x, size_t n, unsigned long y,  
          unsigned long *a)

die eine 64n-bit-Zahl im Speicher beginnend an der Adresse x und eine 64-bit Zahl in y (beide vorzeichenlos) miteinander multipliziert und das 64(n + 1)-bittige Ergebnis in den Speicher beginnend mit der Adresse a schreibt. Sowohl die Zahl bei x als auch bei a haben ihr niederwertigstes Byte an der Adresse x bzw. a (little-endian). Verwenden Sie dafür u.a. die Befehle mul und adc.

Für besonders effiziente Lösungen (gemessen an der Anzahl der ausgeführten Maschinenbefehle; wird ein Befehl n mal ausgeführt, zählt er n-fach) gibt es Bonuspunkte. Dabei könnte Ihnen das Wissen helfen, dass add und sub das Carry-Flag verändern, inc, dec, lea und mov dagegen nicht.

7.2.3 Hinweis

Beachten Sie, dass Sie nur dann Punkte bekommen, wenn Ihre Version korrekt ist, also bei jeder zulässigen Eingabe das gleiche Resultat liefert wie das Original. Dadurch können Sie viel mehr verlieren als Sie durch Optimierung gewinnen können, also optimieren Sie im Zweifelsfall lieber weniger als mehr.

Die Vertrautheit mit dem Assembler müssen Sie beim Gespräch am Ende des Semesters beweisen, indem Sie Fragen zum abgegebenen Code beantworten.

7.2.4 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen im Verzeichnis ˜/abgabe/asmb die maßgeblichen Dateien. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und make soll eine Datei asmb.o erzeugen. Diese Datei soll nur die Funktion asmb enthalten, keinesfalls main. Diese Funktion soll den Aufrufkonventionen gehorchen und wird bei der Prüfung der abgegebenen Programme mit C-Code zusammengebunden.

7.3 Scanner

7.3.1 Termin

Abgabe spätestens am 29. März 2017, 14 Uhr.

7.3.2 Angabe

Schreiben Sie mit flex einen Scanner, der Identifier, Zahlen, und folgende Schlüsselwörter unterscheiden kann: end return goto if var and not. Weiters soll er auch noch folgende Lexeme erkennen: ; ( ) , : = != > [ ] - + *

Identifier bestehen aus Buchstaben und Ziffern, dürfen aber nicht mit Ziffern beginnen. Zahlen bestehen aus Ziffern und _, wobei die _ ignoriert werden. Zahlen werden als Dezimalzahlen interpretiert. Leerzeichen, Tabs und Newlines zwischen den Lexemen sind erlaubt und werden ignoriert, ebenso Kommentare, die mit (* anfangen und bis zum nächsten *) gehen; Kommentare können also nicht geschachtelt werden. Alles andere sind lexikalische Fehler. Es soll jeweils das längste mögliche Lexem erkannt werden, if39 ist also ein Identifier (longest input match), 39_if ist die Zahl 39_ gefolgt vom Schlüsselwort if.

Der Scanner soll für jedes Lexem eine Zeile ausgeben: für Schlüsselwörter und Lexeme aus Sonderzeichen soll das Lexem ausgegeben werden, für Identifier id gefolgt von einem Leerzeichen und dem String des Identifiers, für Zahlen num gefolgt von einem Leerzeichen und der Zahl in Dezimaldarstellung ohne führende Nullen und ohne _. Für Leerzeichen, Tabs, Newlines und Kommentare soll nichts ausgegeben werden (auch keine Leerzeile).

Der Scanner soll zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterscheiden, End ist also kein Schlüsselwort.

7.3.3 Abgabe

Legen Sie ein Verzeichnis ˜/abgabe/scanner an, in das Sie die maßgeblichen Dateien stellen. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können (auch den ausführbaren Scanner) und mittels make ein Programm namens scanner erzeugen, das von der Standardeingabe liest und auf die Standardausgabe ausgibt. Korrekte Eingaben sollen akzeptiert werden (Ausstieg mit Status 0, z.B. mit exit(0)), bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden. Bei einem lexikalischen Fehler darf der Scanner Beliebiges ausgeben (eine sinnvolle Fehlermeldung hilft bei der Fehlersuche).

7.4 Parser

7.4.1 Termin

Abgabe spätestens am 5. April 2017, 14 Uhr.

7.4.2 Angabe


Program: { Funcdef ’;’ }  
       ;  
 
Funcdef: id ’(’ Pars ’)’ Stats end  /* Funktionsdefinition */  
       ;  
 
Pars: { id ’,’ } [ id ]             /* Parameterdefinition */  
    ;  
 
Stats: { { Labeldef } Stat ’;’ }  
     ;  
 
Labeldef: id ’:’                    /* Labeldefinition */  
        ;  
 
Stat: return Expr  
    | goto id  
    | if Cond goto id  
    | var id ’=’ Expr               /* Variablendefinition */  
    | Lexpr ’=’ Expr                /* Zuweisung */  
    | Term  
    ;  
 
 
Cond: Cterm { and Cterm }  
    | not Cterm  
    ;  
 
Cterm: ’(’ Cond ’)’  
     | Expr ’!=’ Expr  
     | Expr ’>’ Expr  
     ;  
 
Lexpr: id                /* schreibender Variablenzugriff */  
     | Term ’[’ Expr ’]’ /* schreibender Arrayzugriff */  
     ;  
 
Expr: Term { ’+’ Term }  
    | Term { ’*’ Term }  
    | { ’-’ } Term  
    ;  
 
Term: ’(’ Expr ’)’  
    | num  
    | Term ’[’ Expr ’]’ /* lesender Arrayzugriff */  
    | id                /* lesender Variablenzugriff */  
    | id ’(’ { Expr ’,’ } [ Expr ] ’)’ /* Funktionsaufruf */  
    ;


Abbildung 2: Grammatik; Terminale sind klein geschrieben bzw. mit Hochkomma umschlossen; Nonterminale sind groß geschrieben.


Abbildung 2 zeigt die Grammatik (in yacc/bison-artiger EBNF) einer Programmiersprache. Schreiben Sie einen Parser für diese Sprache mit flex und yacc/bison. Die Lexeme sind die gleichen wie im Scanner-Beispiel (id steht für einen Identifier, num für eine Zahl). Das Startsymbol ist Program.

7.4.3 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen im Verzeichnis ˜/abgabe/parser die maßgeblichen Dateien. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und mittels make ein Programm namens parser erzeugen, das von der Standardeingabe liest. Korrekte Programme sollen akzeptiert werden (Ausstieg mit Status 0, z.B. mit exit(0)), bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden, bei Syntaxfehlern der Fehlerstatus 2. Das Programm darf auch etwas ausgeben (auch bei korrekter Eingabe), z.B. damit Sie sich beim Debugging leichter tun.

7.4.4 Hinweis

Beseitigen Sie alle Konflikte in der Grammatik durch Umformen der Grammatik! yacc löst solche Konflikte zwar auf, aber nicht unbedingt in der von Ihnen gewünschten Art. Um solche Konflikte zu verstehen, rufen Sie yacc/bison mit -v auf und schauen Sie sich die .output-Datei an.

Die Verwendung von Präzedenzdeklarationen von yacc/bison kann leicht zu Fehlern führen, die man nicht so schnell bemerkt (bei dieser Grammatik sind sie sowieso sinnlos).

Links- oder Rechtsrekursion? Also: Soll das rekursive Vorkommen eines Nonterminals als erstes (links) oder als letztes (rechts) auf der rechten Seite der Regel stehen? Bei yacc/bison und anderen LR-basierten Parsergeneratoren funktioniert beides. Sie sollten sich daher in erster Linie danach richten, was leichter geht, z.B. weil es Konflikte vermeidet oder weil es einfachere Attributierungsregeln erlaubt. Z.B. kann man mittels Linksrekursion bei der Subtraktion einen Parse-Baum erzeugen, der auch dem Auswertungsbaum entspricht. Sollte es keine anderen Gründe geben, kann man der Linksrekursion den Vorzug geben, weil sie mit einer konstanten Tiefe des Parser-Stacks auskommt.

7.5 Attributierte Grammatik

7.5.1 Termin

Abgabe spätestens am 3. Mai 2017, 14 Uhr.

7.5.2 Angabe

Erweitern Sie den Parser aus dem letzten Beispiel mit Hilfe von ox um eine Symboltabelle und eine statische Analyse.

Die hervorgehobenen Begriffe beziehen sich auf Kommentare in der Grammatik.

Namen. Die folgenden Dinge haben Namen: Funktionen, Labels und Variablen.

Eine Funktion wird im Funktionsaufruf verwendet und in der Funktionsdefinition definiert. Verwendete Funktionen müssen nicht definiert werden und können nicht deklariert2 werden. Funktionen dürfen, soweit es den Compiler betrifft, doppelt definiert werden und dürfen den gleichen Namen wie Variablen oder Labels haben; daher muss der Compiler Funktionsnamen nicht in einer Symboltabelle verwalten. Auch die Übereinstimmung der Anzahl der Argumente soll (und kann) der Compiler nicht überprüfen.

Alle Namen (ids), die in einer Parameterdefinition oder in einer Variablendefinition vorkommen, sind Variablennamen. Variablen, die in einer Parameterdefinition definiert wurden, sind in der ganzen Funktion sichtbar. Variablen, die einer Variablendefinition definiert wurden, sind in den folgenden Stats sichtbar, aber nicht in der Variablendefinition selbst, oder davor.

Bei einem Variablenzugriff (schreibend oder lesend) muss eine Variable oder ein Parameter mit dem Namen sichtbar sein.

Ein Label wird in der Labeldefinition definiert und ist in der gesamten Funktion sichtbar, auch schon vor der Definition, und nirgendwo sonst. Der Identifier hinter einem goto (auch bei if...goto) muss ein definierter und sichtbarer Label sein.

Für jede Stelle gilt: Eine dort sichtbare Variable oder ein dort sichtbarer Label darf nicht den selben Namen haben wie eine andere dort sichtbare Variable oder ein anderer dort sichtbarer Label; das heisst auch, dass ein Label nicht den gleichen Namen haben darf wie eine Variable, die in der gleichen Funktion vorkommt.

Ihre statische Analyse soll alle diese Bedingungen prüfen, also dass ein Name nur einmal in einer Funktion definiert wird (nur Funktionsnamen müssen nicht geprüft werden), dass Variablenzugriffe auf sichtbare Variablen oder Parameter erfolgen, und dass das id hinter goto ein sichtbarer Label ist.

7.5.3 Hinweise

Es ist empfehlenswert, die Grammatik so umzuformen, dass sie für die AG günstig ist: Fälle, die syntaktisch gleich ausschauen, aber bei den Attributierungsregeln verschieden behandelt werden müssen, sollten auf verschiedene Regeln aufgeteilt werden; umgekehrt sollten Duplizierungen, die in dem Bemühen vorgenommen wurden, Konflikte zu vermeiden, auf ihre Sinnhaftigkeit überprüft und ggf. rückgängig gemacht werden. Testen Sie Ihre Grammatikumformungen mit den Testfällen.

Offenbar übersehen viele Leute, dass attributierte Grammatiken Information auch von rechts nach links (im Ableitungsbaum) weitergeben können. Sie denken sich dann recht komplizierte Lösungen aus. Dabei reichen die von ox zur Verfügung gestellten Möglichkeiten vollkommen aus, um zu einer relativ einfachen Lösung zu kommen.

Verwenden Sie keine globalen Variablen oder Funktionen mit Seiteneffekten (z.B. Funktionen, die übergebene Datenstrukturen ändern) bei der Attributberechnung! ox macht globale Variablen einerseits unnötig, andererseits auch fast unbenutzbar, da die Ausführungsreihenfolge der Attributberechnung nicht vollständig festgelegt ist. Bei Traversals ist die Reihenfolge festgelegt, und Sie können globale Variablen verwenden; seien Sie aber trotzdem vorsichtig.

Sie brauchen angeforderten Speicher (z.B. für Symboltabellen-Einträge oder Typinformation) nicht freigeben, die Testprogramme sind nicht so groß, dass der Speicher ausgeht (zumindest wenn Sie’s nicht übertreiben).

Das Werkzeug Torero ( http://www.complang.tuwien.ac.at/torero/) ist dazu gedacht, bei der Erstellung von attributierten Grammatiken zu helfen.

7.5.4 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen die maßgeblichen Dateien im Verzeichnis ˜/abgabe/ag. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und mittels make ein Programm namens ag erzeugen, das von der Standardeingabe liest. Korrekte Programme sollen akzeptiert werden, bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden, bei Syntaxfehlern der Fehlerstatus 2, bei anderen Fehlern (z.B. Verwendung eines nicht sichtbaren Namens) der Fehlerstatus 3. Die Ausgabe kann beliebig sein, auch bei korrekter Eingabe.

7.6 Codeerzeugung A

7.6.1 Termin

Abgabe spätestens am 17. Mai 2017, 14 Uhr.

7.6.2 Angabe

Erweitern Sie die statische Analyse aus dem AG-Beispiel mit Hilfe von iburg zu einem Compiler, der folgende Untermenge der statisch korrekten Programme in AMD64-Assemblercode übersetzt: alle Programme, in denen aus Stat nur return-Anweisungen abgeleitet werden, in denen aber kein Funktionsaufruf abgeleitet wird. Programme, die statisch korrekt sind, aber dieser Einschränkung nicht entsprechen, werden bei diesem Beispiel nicht als Testeingaben vorkommen; statisch inkorrekte Programme müssen weiterhin als solche erkannt werden.

Ein Teil der Sprache wurde schon im Beispiel attributierte Grammatik erklärt, hier der für dieses Beispiel notwendige Zusatz:

Datendarstellung. Diese Programmiersprache kennt nur einen Datentyp: das 64-bit-Wort, das als vorzeichenbehaftete Zahl oder als Speicheradresse verwendet werden kann. Weder der Compiler noch das Laufzeitsystem soll eine Typüberprüfung vornehmen. Der Programmierer (der Anwender des Compilers) muss wissen, was er tut, der Compiler soll (und kann) das nicht überprüfen. Unsere Testprogramme führen keine Zugriffe auf ungültige Adressen aus.

Bedeutung der Operatoren. +, - und * haben ihre übliche Bedeutung (ein etwaiger Überlauf soll ignoriert werden).

Bei einem (schreibenden oder lesenden) Arrayzugriff ist der vom Term (auf der rechten Seite der Regel) berechnete Wert die Addresse von Element 0 des Arrays, und der von Expr berechnete Wert der Index des Elements, auf das zugegriffen wird. Der Zugriff erfolgt dann auf die Adresse Term+8*Expr. Der lesende Arrayzugriff liefert als Resultat den 64-bit-Wert an dieser Adresse, der schreibende Arrayzugriff überschreibt das 64-bit-Wort an dieser Stelle.

Anweisungen Die return-Anweisung beendet die Funktion und liefert das Resultat von Expr als Ergebnis des Aufrufs der Funktion.

Erzeugter Code. Ihr Compiler soll AMD64-Assemblercode ausgeben. Jede Funktion im Programm verhält sich gemäß der Aufrufkonvention. Der erzeugte Code wird nach dem Assemblieren und Linken von C-Funktionen aufgerufen. Beispiel: Die Funktion foo(a,b) ... end; kann von C aus mit foo(x,y) aufgerufen werden, wobei a den Wert von x bekommt und b den von y.

Der Name einer Funktion soll als Assembler-Label am Anfang des erzeugten Codes verwendet werden und das Symbol soll exportiert werden; andere Symbole soll Ihr Code nicht exportieren.

Folgende Einschränkungen sind dazu gedacht, Ihnen gewisse Probleme zu ersparen, die reale Compiler bei der Codeauswahl und Registerbelegung haben. Sie brauchen diese Einschränkungen nicht überprüfen, unsere Testeingaben halten sich an diese Einschränkungen (eine Überprüfung könnte Ihnen allerdings beim Debuggen Ihrer eigenen Testeingaben helfen): Funktionen haben maximal 6 Parameter. Die maximale Tiefe eines Ausdrucks3 ist 6 - v, wobei v die Anzahl der sichtbaren Parameter und Variablen ist. Die im Quellprogramm vorkommenden Zahlen und konstanten Ausdrücke sind ≥-231 und < 231; das gilt aber nicht für Ergebnisse von Berechnungen zur Laufzeit.

Der erzeugte Code soll korrekt sein und möglichst wenige Befehle ausführen (da es hier keine Verzweigungen gibt, ist das gleichbedeutend mit „wenige Befehle enthalten“). Dabei ist nicht an eine zusätzliche Optimierung (wie z.B. common subexpression elimination) gedacht, sondern vor allem an die Dinge, die Sie mit iburg tun können, also eine gute Codeauswahl (besonders bezüglich konstanter Operanden und Ausnutzung der Adressierungsarten) und, wenn Sie besonders ehrgeizig sind, einige algebraische Optimierungen (siehe z.B. http://www.complang.tuwien.ac.at/papers/ertl00dagstuhl.ps.gz). Für besonders effizienten erzeugten Code gibt es Sonderpunkte.

Beachten Sie, dass es leicht ist, durch eine falsche Optimierungsregel mehr Punkte zu verlieren, als Sie durch Optimierung überhaupt gewinnen können. Testen Sie daher ihre Optimierungen besonders gut (mindestens ein Testfall pro Optimierungsregel). Überlegen Sie sich, welche Optimierungen es wohl wirklich bringen (welche Fälle also tatsächlich vorkommen), und lassen Sie die anderen weg.

7.6.3 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen die maßgeblichen Dateien im Verzeichnis ˜/abgabe/codea. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und mittels make ein Programm namens codea erzeugen, das von der Standardeingabe liest und den generierten Code auf die Standardausgabe ausgibt. Bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden, bei einem Syntaxfehler Fehlerstatus 2, bei anderen Fehlern der Fehlerstatus 3. Im Fall eines Fehlers darf die Ausgabe beliebig sein.

7.7 Codeerzeugung B

7.7.1 Termin

Abgabe spätestens am 31. Mai 2017, 14 Uhr.

7.7.2 Angabe

Erweitern Sie den Compiler aus dem vorigen Beispiel so, dass er folgende Untermenge der statisch korrekten Programme in AMD64-Assemblercode übersetzt: Alle Programme, in denen der Parser keinen Funktionsaufruf ableitet. Programme, die statisch korrekt sind, aber dieser Einschränkung nicht entsprechen, werden bei diesem Beispiel nicht als Testeingaben vorkommen.

Ein Teil der Sprache wurde schon erklärt, hier der für dieses Beispiel notwendige Zusatz:

Eine goto-Anweisung springt zum angegebenen Label.

Eine if-Anweisung wertet Cond nach der Kontrollflussmethode aus. Wenn die Bedingung zutrifft, springt sie zum angegebenen Label, sonst zum folgenden Stat.

Die Bedingung kann auch ein and von mehreren Bedingungen sein. In diesem Fall verursacht die erste nicht zutreffende Bedingung einen Sprung zum folgenden Statement (Kontrollflussmethode).

Die Bedingung kann auch ein not einer anderen Bedingung Cterm sein. In diesem Fall springt Cterm im Erfolgsfall zum folgenden Stat, und im Misserfolgsfall zum Label, die beiden Sprungziele werden also vertauscht (Kontrollflussmethode).

and und not können auch verschachtelt angewendet werden, dann muss die Kontrollflussmethode entsprechend allgemeiner angewendet werden, siehe Vorlesungsskriptum.

Eine Variablendefinition wertet die Expr aus und weist das Ergebnis der definierten Variable zu.

Eine Zuweisung schreibt den Wert der Expr in die durch Lexpr angegebene Variable bzw. das Arrayelement.

Eine Term-Anweisung wertet den Term aus und macht mit dem Ergebnis nichts (in diesem Beispiel gibt es keine Funktionsaufrufe, daher macht diese Anweisung hier gar nichts).

Erzeugter Code. Es gelten die gleichen Anforderungen und Einschränkungen wie im vorigen Beispiel. Weiters sollte man sich überlegen, die Labels so im Assemblercode zu kodieren, dass sie nicht mit den Funktionsnamen kollidieren können, z.B. indem aus einem Label x in der Eingabesprache ein Label L_x auf der Assemblerebene wird.

7.7.3 Hinweis

Es bringt nichts, für iburg Bäume zu bauen, die mehr als eine einfache Anweisung umfassen bzw. ein Cterm: die Möglichkeit, durch die Baumgrammatik Knoten zusammenzufassen und so zu optimieren, kann nur auf der Ebene von Ausdrücken und einfachen Anweisungen genutzt werden, solange man in der Zwischendarstellung nahe beim abstrakten Syntaxbaum bleibt.

Auf höherer Ebene ist einfacher, für jede einfache Anweisung einen Baum zu bauen und dann in einem Traversal für jeden dieser Bäume den Labeler und den Reducer aufzurufen.

7.7.4 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen die maßgeblichen Dateien im Verzeichnis ˜/abgabe/codeb. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und mittels make ein Programm namens codeb erzeugen, das von der Standardeingabe liest und den generierten Code auf die Standardausgabe ausgibt. Bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden, bei einem Syntaxfehler Fehlerstatus 2, bei anderen Fehlern der Fehlerstatus 3. Im Fall eines Fehlers darf die Ausgabe beliebig sein.

7.8 Gesamtbeispiel

7.8.1 Termin

Abgabe spätestens am 14. Juni 2017, 14 Uhr. Es gibt nur einen Nachtermin.

7.8.2 Angabe

Erweitern Sie den Compiler aus dem vorigen Beispiel so, dass er alle statisch korrekten Programme in AMD64-Assemblercode übersetzt.

Ein Teil der Sprache wurde schon erklärt, hier der für dieses Beispiel notwendige Zusatz:

Der Funktionsaufruf wertet alle Exprs aus und ruft dann die Funktion id auf, mit den Ergebnissen der Exprs als Parameter. Der von der Funktion zurückgegebene Wert ist der Wert des Funktionsaufrufs.

Erzeugter Code. Der erzeugte Code ruft Funktionen entsprechend den Aufrufkonventionen auf. Ansonsten gelten die gleichen Anforderungen und Einschränkungen wie im vorigen Beispiel, wobei ein Funktionsaufruf mit n Parametern bei der Berechnung der Tiefe mit dem Wert max(0,n - 1) (zuzüglich der maximalen Tiefe der Berechnungen der Parameter) eingeht.

Wichtigstes Kriterium ist wie immer die Korrektheit, für gute Codeerzeugung gibt es aber wieder Sonderpunkte. Wir empfehlen, nur Optimierungen durchzuführen, die mit den verwendeten Werkzeugen einfach möglich sind. Bei diesem Beispiel kommt es mehr auf gute Registerbelegung an als auf die Optimierung von Ausdrücken.

7.8.3 Hinweise

Bei der Registerbelegung gibt es sowohl ein großes Optimierungspotential als auch ein großes Fehlerpotential, besonders im Zusammenhang mit (verschachtelten) Funktionsaufrufen.

Eine einfache Strategie bezüglich der Parameter der aktuellen Funktion ist, sie nicht in den Argumentregistern zu lassen, sondern sie z.B. auf den Stack zu kopieren, damit man beim Berechnen der Parameter einer anderen Funktion problemlos auf sie zugreifen kann. Diese Strategie mag zwar nicht zum optimalen Code führen, aber eine gute Regel beim Programmieren lautet: “First make it work, then make it fast”.

7.8.4 Abgabe

Zum angegebenen Termin stehen die maßgeblichen Dateien im Verzeichnis ˜/abgabe/gesamt. Mittels make clean soll man alle von Werkzeugen erzeugten Dateien löschen können und mittels make ein Programm namens gesamt erzeugen, das von der Standardeingabe liest und auf die Standardausgabe ausgibt. Bei einem lexikalischen Fehler soll der Fehlerstatus 1 erzeugt werden, bei einem Syntaxfehler Fehlerstatus 2, bei anderen Fehlern der Fehlerstatus 3. Im Fall eines Fehlers kann die Ausgabe beliebig sein. Der ausgegebene Code muss vom Assembler verarbeitet werden können.