Übersetzung objektorientierter Programmiersprachen: Konzepte, abstrakte Maschinen und Praktikum „Java-Compiler“

289 Pages·1998·16.794 MB·German

by  Dr. Bernhard Bauer, Riitta Höllerer (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Bernhard Bauer Riitta HöHerer
Übersetzung
objektorientierter
Programmiersprachen
Konzepte, abstrakte Maschinen
und Praktikum "Java-Compiler"
Mit 29 Abbildungen
, Springer
Dr. Bernhard Bauer
Siemens AG, ZT IK 6
Otto-Hahn -Ring 6
D-81739 München
Riitta HöHerer
Technische Universität München
Institut für Informatik
Arcisstrasse 21
D-80290 München
ISBN 978-3-540-64256-5
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Bauer, Bernhard: Übersetzung objektorientierter Programmiersprachen:
Konzepte, abstrakte Maschinen und Praktikum "Java-Compiler"!
Bernhard Bauer; Riitta Höllerer
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer
(Springer-Lehrbuch)
ISBN 978-3-540-64256-5 ISBN 978-3-642-58871-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58871-6
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Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg N ew Y ork 1998
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FurBarbara
B.B.
FurKarlheinz, Tuulikki, Erja
R.N.
Vorwort
Indiesem Buchwerdenan Hand mehrererobjektorientierterProgrammiersprachen
die Konzepte der Ubersetzung dieser Sprachklasse dargestellt. Am Beispiel der
Sprache Java wird in einem Praxisteil die Spezifikation eines Ubersetzers entwik
kelt.DieseSpezifikationkannalsEingabefUreinenUbersetzergeneratorverwendet
werden,derdaraus ein ablauffahigesC-Programmgeneriert.
Es werden zunachst die Konzepte objektorientierterProgrammiersprachen vor
gestellt und sodann die Ubersetzung dieser Konzepte behandelt. Die Ubersetzung
dieser Programmiersprachen erfolgt ublicherweise nicht direkt in die Maschinen
sprache eines speziellen Prozessors, sondern in Code fur eine abstrakte Maschine.
Dazu wird eine einfache, leistungsfahige abstrakte Maschine vorgestellt und an
schlieBendwerdenErweiterungendiskutiert,diefUrdievirtuelleMaschinederPro
grammiersprachen Smalltalk-80 und Java vorgenommen werden mussen. Da ob
jektorientierteProgrammiersprachenaufdem Konzeptdes Nachrichtenaustausches
basieren,sindsiebzgl.desLaufzeitverhaltensineffizienteralsherkommlicheproze
durale Programmiersprachen. Deswegen werden Optimierungen in diesem Buch
behandelt, die fUr objektorientierte Programmiersprachen moglich und notwendig
sind, urn ahnlich gute Laufzeiten wie bei den prozeduralen Programmiersprachen
zuerzielen.AbschlieBend wirdnocheinAusblickauferweiterteUbersetzungstech
niken gegeben.
DerzweiteTeil des Buches beschaftigtsich mitder konkreten Ubersetzung von
Java,d.h. mitderPraxisdesUbersetzerbaus. Hierwird zunachstein Uberblicktiber
die ProgrammierspracheJava und ihre virtuelleMaschinegegeben sowieeineEin
fiihrungindenUbersetzergeneratorMAX. AnschlieBend wirddieUbersetzungspe
zifiziert. Diese Spezifikation kann als Eingabe fUr das MAX-System verwendet
werden. Esgeneriertdarausden C-Codeftir einen Compiler,derdie Programmier
sprache Java in den Code fur die virtuelle Java-Maschine tibersetzt; insbesondere
erzeugterdazuein Klassenfile.
SUN, SUN Microsystems und Java sind Trademarks oder registrierte Trade
marks vonSunMicrosystems,Inc. Smalltalk-80istTrademarkvon XeroxCorpora
tion.
Wir mochten uns an dieser Stelle bei Prof. Dr. Jurgen Eickel, Institut fUr Infor
matik derTechnischen UniversitiitMunchen, bedanken, der es uns ermoglichthat,
die Vorlesung "Ubersetzung objektorientierter Programmiersprachen" in Vertre-
VIII Vorwort
tung fur ihn zu halten. Diese Vorlesung und das darauf aufbauende Compilerbau
PraktikumdientenalsGrundlagefUrdieses Buch.
Daruber hinaus mOchten wir uns bei allen Mitarbeitern und ehemaligen Mitar
beitern des Lehrstuhls Informatik II (prof. Eickel) der Technischen UniversiUit
Munchen bedanken, die uns bei der Entstehung dieses Buches unterstutzt haben,
insbesondere Hans Wittner, der durch die Rechnerbetreuung zum Gelingen des
Praktikums beigetragen hat.
Unser ehemaliger Kollege Prof. Dr. Arnd Poetzsch-Heffter hat maBgeblich zu
dem EntwurfundderImplementierungdesMAX-Systems beigetragen.
BesondersverpflichtetsindwirdenengagiertenStudierenden,diean derBetreu
ungdesUbersetzerbaupraktikums,anderWeiterentwicklungderWerkzeugeundan
der Implementierung von Mustercompilern mitgewirkt haben, sowie den Teilneh
merndesPraktikumsdes Ubersetzerbaus im Sommersemester 1997 undderVorle
sungen imWintersemester 1996/1997und 1997/1998.Besonderserwahnenm6ch
ten wirAnnaFauser,RalfS. Engelschall,RolandHaratsch, Aurel Huber,Christian
Lang,PeterMullerundBernhardWerner.
AuBerdem danken wir dem Springer-Verlag, insbesondere Dr. Hans W6ssner
undseinemTeam, furdieguteZusammenarbeit.
Munchen,Juni 1998 BernhardBauer
RiittaH61lerer
Inhaltsverzeichnis
Teil1: Theorie
1 Einleitung 3
1.1 Ubersetzung von Programmiersprachen 3
1.2 Objektorientiertheitundobjektorientierte
Programmiersprachen 8
1.3 Reineund hybrideobjektorientierte
Programmiersprachen 10
1.4 DieProgrammierspracheJava 11
1.5 Uberblick tiberdie weiteren Kapitel 11
2 Objektorientierte Konzepte 15
2.1 KlassenbasierteobjektorientierteSprachen 16
2.1.1 ObjekteundKlassen 16
2.1.2 Gleichheitund Kopieren vonObjekten 25
2.1.3 AbstrakteKlassen undInterface-Klassen 27
2.1.4 Multi-Methoden 28
2.2 Vererbung 29
2.2.1 Einfachvererbung 30
2.2.2 Mehrfachvererbung 42
2.2.3 DynamischeVererbung 46
2.3 Kapselung 46
2.4 ParametrisierungundgenerischeDatentypen 48
2.5 ParametrisierungversusVererbung 51
2.6 Polymorphismus 53
3 UbersetzungobjektorientierterKonzepte
und abstrakte Maschinen 55
3.1 LoseUbersetzung 56
3.1.1 AbstrakteMaschineAM 57
3.1.1.1 Laufzeitumgebungderabstrakten MaschineAM .57
3.1.1.2 Befehlederabstrakten MaschineAM 59
3.1.1.3 Adressierungsarten 63
X Inhaltsverzeichnis
3.1.2 Klassen und Einfaehvererbung 64
3.1.3 Methodendeklarationen 65
3.1.4 Naehriehten undMethodenaufrufe 65
3.1.5 Objekte 67
3.1.6 SemiformaleBesehreibungderSemantik
derabstrakten Masehine 70
3.2 Smalltalk-80-Realisierung 75
3.2.1 Klassen und Einfaehvererbung 77
3.2.2 Ubersetzung von Methoden 81
3.2.3 Objekte 84
3.2.4 Objektverwaltung 84
3.2.5 Methodenaufruf 87
3.2.6 DieabstrakteMasehinefUrSmalltalk-80 '" 88
3.3 Java-Realisierung 89
3.3.1 Klassen und einfaeheVererbung 90
3.3.1.1 Eintrageim Konstantenpool 92
3.3.1.2 EintrageftirInstanzvariablen 94
3.3.1.3 EintrageftirMethoden 95
3.3.1.4 Bemerkungen 96
3.3.2 Methodendeklarationen 96
3.3.3 Methodenaufrufund Rtieksprung 99
3.3.4 Objekte 100
3.3.5 DievirtuelleMasehine vonJava 100
3.4 C++-Realisierung. ..................................... 103
3.4.1 Methoden, Klassen undeinfaeheVererbung 103
3.4.2 Objekte 106
3.4.3 Methodenaufruf 107
3.4.4 Mehrfaehvererbung............................... 108
3.5 Parametrisierung... .................................... 112
3.5.1 KopierendeSieht 113
3.5.2 EehtegeneriseheSieht 121
4 Typinferenzund Typuberprufung 127
4.1 Typisierung und Binden ................................. 127
4.1.1 Typisierung 127
4.1.2 Binden undMethodensuehe 128
4.1.3 Zusammenhang von Typisierung undBinden 129
4.1.4 Typisierungsprobleme............................. 129
4.2 Typisierung mitDatenfluBanalyse .................... 130
4.2.1 DatenfluBanalyse 130
4.2.2 TypisierungmitDatenfluBanalyse 135
4.3 Typisierung mitConstraints .............................. 137
Inhaltsverzeichnis XI
5 Optimierungen 145
5.1 Standardoptimierungen 147
5.1.1 Elimination redundanterAusdriicke 147
5.1.2 Konstantenfaltung 148
5.1.3 Elimination toten Programmcodes 149
5.1.4 Kopien-Verbreitung 150
5.1.5 Schleifenoptimierungen 150
5.1.6 Reduktion des Operators und algebraische Umformungen .152
5.1.7 KontrollfluBoptimierungen 152
5.2 ObjektorientierteOptimierungen 152
5.2.1 Intraprozedurale Klassenanalyse 153
5.2.2 Analyseder Klassenhierarchie 154
5.2.3 EffizienteImplementierungderMethodensuche
zurUbersetzungszeit 154
5.2.4 InkrementelleProgrammentwicklung
und separateUbersetzung 155
5.2.5 Klassentest 155
5.2.5.1 Einfach-Klassentest 156
5.2.5.2 Unterklassentest 157
5.2.5.3 Verwendung von Klassentests undSplitting 158
5.2.6 Funktionsexpansion 160
5.2.7 Wertbasierte Analyse undInstanzvariablen-Optimierung .. 161
5.2.8 Profile-Informationen 162
5.2.9 SpezialisierteVarianten: Customization 162
5.2.10 Lookup- und Inline-Caches 163
6 Speicherbereinigung 165
6.1 Nicht-inkrementelleTechniken 166
6.1.1 Mark-Scan-Speicherbereinigung 166
6.1.2 KopierendeSpeicherbereinigung 167
6.1.2.1 KopierendeSpeicherbereinigung
mitzweiRegionen 167
6.1.2.2 KopierendeSpeicherbereinigung
mitGenerationen 170
6.2 InkrementelleTechniken: Referenzzahlende
Algorithmen 172
7 Ausblick 175
7.1 Compiler-Entwicklung 175
7.1.1 BootstrappingundCross-Compiler 175
7.1.2 Compiler-Generatoren 176