Trabalho de Desenho de Linguagens de Programação e de Compiladores. Mini Pascal

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Trabalho de Desenho de Linguagens de

Programa¸c˜

ao e de Compiladores

—

Mini Pascal

(cod. 11482)

Departamento de Inform´

atica

Universidade da Beira Interior

Ano lectivo 2015/2016

1 Introdu¸

c˜

ao

Este trabalho é parte constituinte da avalia¸cão prática da Unidade Curricular de código 11482 designada por Desenho de Linguagens de Programa¸cão e de Compiladores, na sua edi¸cão de 2015-2016.

O trabalho visa o exerc´ıcio dos conceitos e das técnicas básicas de de-senho de linguagens de programa¸cão e de compiladores expostos nas aulas da presente UC. Com tal este trabalho é estruturado nas várias fases que constituem um projecto desta natureza (espelhado pela própria estrutura lectiva da UC). Estas diferentes fases visam ilustrar a utiliza¸cão de técnicas (e ferramentas computacionais associadas) de desenho de compiladores. Em particular as técnicas de analises semântica, produ¸cão de código máquina e optimiza¸cão de código.

2 Descri¸

c˜

ao geral do trabalho

O objectivo geral é a defini¸cão/extensão formal de uma pequena linguagem de programa¸cão, a linguagem Mini-Pascal (da autoria do Fran¸cois Pottier),

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e a constru¸c˜ao do compilador correspondente, tendo por alvo a arquitectura x86-64.

Este trabalho est´a assim estruturado em duas fases.

A primeira fase consiste em entender a linguagem de base Mini-Pascal (cuja sintaxe abstracta e semântica a está descrito em anexo deste enunciado) e estendê-la. Esta fase dará lugar a primeira entrega dia 31 de Mar¸co de 2016.

A segunda fase consiste em desenhar e implementar o compilador para a extens˜ao definida da linguagem.

O trabalho completo, conclu´ıdo com a execu¸cão da segunda fase, deverá ser entregue no dia 26 de Maio 2016, e as defesas terão lugar nos primeiros dias da semana seguinte em calendário por definir e afixar na página da UC. A entrega deverá respeitar as modalidades de entrega descritas na seçcão 4.

3 Trabalho Requerido

• Como intreg´avel para a primeira fase do trabalho, requer-se um do-cumento que apresenta a linguagem do ponto de vista da sua sintaxe abstracta, o seu sistema de tipo e a sua semˆantica.

• Como entregável para a segunda fase, um compilador completo escrito em OCaml/menhir para a linguagem Mini-Pascal extendida (cujo n´ u-cleo de base de partida está descrita em anexo). Impreterivelmente, a arquitectura alvo considerada é a arquitetura x86-64 apresentada nas aulas.

O grupo de trabalho deverá considerar extensões que achar apropriadas e documentadas no relatório final. Estas extensões deverão ser discutidas com o regente da UC. Em jeito de sugestão, as extensões sugeridas são:

• novos tipos primitivos (float, character, string, etc,); • mecanismos de defini¸c˜ao de estruturas;

• mecanismos de defini¸c˜ao de tipos soma;

• mecanismos de defini¸c˜ao de tipos polim´orficos;

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• mecanismos de declara¸cão e utiliza¸cão de apontadores/memória dinˆ a-mica;

• introdu¸cão de novos modos de passagem de parâmetros; • introdu¸cão de novas primitivas;

• tec. ´

E esperado igualmente que o grupo reporte atempadamente à equipa do-cente os eventuais entregáveis preliminares (a conclusão incremental das fases de gera¸cão código, como introduzido nas aulas) mas igualmente as dificulda-des ou questões encontradas.

4 Entrega do trabalho

O trabalho deve ser entregue num arquivo tar comprimido (nome.tgz ) em que nome é o identificador do vosso grupo. este arquivo deve conter todos os ficheiros fontes necessários à compila¸cão assim como um Makefile completo (as entradas all e clean devem estar presentes).

Este arquivo deverá igualmente conter o relatório que descreve o trabalho feito, as escolhas (de desenho, etc.) tomadas, a documenta¸cão do código e o manual do utilizador. É igualmente esperada que seja preparada uma apresenta¸cão para a respectiva defesa.

5 Documentos auxiliares

Anexa-se a este enunciado os documentos que definam a linguagem alvo por compilar: a descri¸cão da sintaxe abstracta e da semântica do core da lingua-gem Mini-Pascal. estes documentos são adapta¸cões directas dos documentos fornecidos pelo Fran¸cois Pottier na sua UC de Desenho de Linguagens de Programa¸cão e Compila¸cão.

A

Sintaxe abstracta de Mini-Pascal

Nas seguintes defini¸cões, a variável b percorre o conjunto dos booleanos, ou seja {true, f alse}. A variável n contempla os inteiros com sinal representados

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com 32 bits (i.e. [−231_..231_{−1]). A vari´}_{avel x percorre o conjunto (numer´}_avel)

dos identificadores de variável, a variável f percorre o conjunto (numerável) dos identificadores de fun¸cões e procedimentos.

Os tipos primitivos considerados são os tipos integer, boolean, array of τ onde τ é ele próprio um tipo - que descreve os elementos do vector definido.

τ ::= tipos | integer inteiros | boolean booleanos | array of τ vectores

As constantes são booleanos ou inteiros. Não há constantes de tipo vector : os vectores são alocados dinamicamente.

k ::= constantes | n constante inteira | b constante booleana

Os operadores unários e binários que aparecem na sintaxe das expressões são as seguintes. Todas produzem um resultado de tipo integer, coma ex-cep¸cão dos operadores de compara¸cão que produzem um resultado de tipo boolean.

uop ::= operador un´ario | − nega¸c˜ao

bop ::= operador bin´ario | + adi¸c˜ao

| − subtraçcão | × multiplica¸cão | / divisão | < | ≤ | > | ≥ | = | 6= compara¸cão

As opera¸cões primitivas, isto é, procedimentos e fun¸cões predefinidas são as seguintes.

π ::= opera¸c˜oes primitivas | write escrita de um inteiro

| writeln escrita de um inteiro com mudan¸ca de linha | readln leitura de um inteiro

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O alvo de uma chamada de um procedimento ou fun¸cão é ou uma opera-¸cão primitiva ou um procedimento/fun¸cão definido pelo utilizador, a qual é designada pelo seu nome.

φ ::= alvo de uma chamada | π opera¸c˜ao primitiva

| f procedimento ou fun¸cão definida pelo utilizador A sintaxe das expressões, condi¸cões e instru¸cões é a seguinte. e ::= expressões

| k constante | x vari´avel

| uop e aplica¸cão de um operador unário | e bop e aplica¸cão de um operador binário | φ(e...e) chamada de fun¸cão

| e[e] acesso a um elemento de vector | new array of τ [e] aloca¸c˜ao de um vector

c ::= condi¸c˜oes

| e express˜oes (com retorno de tipo boolean) | not c nega¸c˜ao

| c and c conjun¸cão | c or c disjun¸cão i ::= instru¸cões

| φ(e...e) chamada de procedimento | x := e atribui¸c˜ao

| e[e] := e escrita num vector | if c then i else i condicional

| while c do i ciclo | i ... i sequˆencia

Uma defini¸cão de procedimento ou de fun¸cão é composta por um ca-be¸calho, por uma série de declara¸cões de variáveis locais e de um corpo. O cabe¸calho define o nome do procedimento ou da fun¸cão, declara os seus parˆ a-metros formais, se se trata de uma fun¸cão, indica qual o tipo do seu resultado. A nota¸cão τ? _{indica um tipo opcional.}

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d ::= defini¸c˜ao de procedimentos/fun¸c˜oes | f (x : τ...x : τ ) : τ? _cabe¸calho

var x : τ ... x : τ vari´aveis locais

i corpo

Um programa é composto de uma (eventual) sequência de declara¸cão de variáveis globais, de uma (eventual) sequência de declara¸cão de procedimen-tos/fun¸cões e de um corpo.

p ::= programa | var x : τ ... x : τ vari´aveis globais

d .. d defini¸c˜oes de procedimentos/fun¸c˜oes

i corpo

B

Semˆ

antica formal de Mini-Pascal

Esta seçcão introduz uma semântica operacional big-step

B.1 Valores

Os valores manipulados durante a execu¸cão são booleanos, inteiros (com representa¸cão sobre 32 bits), endere¸cos de vectores e igualmente a contante nil. Um vector é representado pelo seu endere¸co em memória e não pela sequência dos seus elementos. Esta distin¸cão tem a sua importância : ela significa, por exemplo, que é poss´ıvel para duas variáveis distintas de tipo “array of τ serem um alias uma da outra, isto é, conter o mesmo endere¸co e logo apontar para o mesmo vector. Significa igualmente que o conteúdo de uma variável de tipo vector pode ser guardada nos registos, porque se trata de um endere¸co e não do vector em si. O vector será arquivado na heap. O valor nil é o valor atribuido a vectores sem inicializa¸cão.

cv ::= valores

| b constante booleana | n constante inteira | l endere¸co de vector | nil endere¸co inv´alido

No Mini-Pascal, quando declaramos uma vari´avel, damos o seu tipo τ , mas n˜ao indicamos o seu valor inicial. Nalgumas linguagens, como a linguagem

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C, o valor inicial da variável está então indefinida : é prohibido aceder ao conteúdo desta variável antes de uma inicializa¸cão. Noutras linguagens, como em Java, as variáveis são inicializadas com um valor por omissão (que depende do tipo). Esta será a abordagem seguida no Mini-Pascal. Assim define-se uma fun¸cão def ault que atribu´ı a cada tipo o valor por omissão que lhe corresponde.

default (boolean) = false default (integer) = 0 default (array of τ ) = nil O ´ultimo caso justifica a existˆencia do valor nil.

B.2 Operadores

A semântica dos operadores unários é dada por uma fun¸cão _{J.K que associa} a todo o operador uop (recorde-se, este operador é pura sintaxe, é um nome) uma fun¸cão parcial _{JuopK dos valores para os valores.} Por exemplo, a se-mântica do operador de nega¸cão é dada definindo _{J−K como sendo a fun¸}cão que a toda a constante inteira n associa a contante inteira −n normalizada no intervalo −231_{· · · 2}31_{− 1. ´}_{E importante notar que a fun¸c˜}_ao

J−K não está definida para outros valores do que os valores inteiros : não se pode apli-car esta fun¸cão sobre valores booleanos, nem a um endere¸co, nem ao valor nil. A semântica de um programa que aplicaria o operador da nega¸cão sobre um vector, por exemplo, está então sem defini¸cão. Um tal programa é feliz-mente exclu´ıdo pelo sistema de tipos do Mini-Pascal, visto que o tipo inteiro ´

e incompat´ıvel com o tipo “array of τ ”.

De forma semelhante, a semântica de operadores binários é dada por uma fun¸cão_{J.K que a todo o operador bop associa uma fun¸}cão binária parcial JuopK dos pares de valores para os valores. A defini¸cão exacta de cada um dos operadores é deixada em exerc´ıcio (por este não oferecer dificuldades particulares).

B.3 Ju´ızos

O conteúdo das variáveis globais é dada por um ambiente G que associa às variáveis os valores que lhes correspondem. De igual forma, o conteúdo das variáveis locais é dado por um ambiente E. Finalmente o heap H associa aos endere¸cos sequências finitas de valores.

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A semântica de Mini-Pascal é definida por ju´ızos. A avalia¸cão de uma expressão, de uma condi¸cão, de uma instru¸cão pode modificar as variáveis globais, as variáveis locais, assim como a heap. Os ju´ızos que descrevem a avalia¸cão mencionam assim o estado inicial G, H, E e o estado resultante G0, H0, E0. No caso das expressões e das condi¸cões, estes ju´ızos mencionam também um valor, que representa o resultado da avalia¸cão. Os ju´ızos são assim da forma

G, H, E/e → G0, H0, E0/v G, H, E/c → G0, H0, E0/b G, H, E/i → G0, H0, E0

O primeiro caso destes ju´ızo lê-se : “no estado descrito por G, H, E, a avalia¸cão da expressão e conduz ao estado descrito por G0, H0, E0 e produz o valor v”. O segundo e o terceiro caso lêem-se de forma semelhante.

Damo-nos a liberdade de escrever S para representar G, H, E.

Este estilo de semântica, como vismos nas aulas, é designada de semântica operacional de passos grandes (big-step). É assim designada porque estes ju´ızos ligam directamente as expressões e os seus resultados sem contemplar os eventuais passos intermédios do calculo inerente.

A semântica das expressões é dada na figura 1. esta contém um conjunto de regras que definam o ju´ızo G, H, E/e → G0, H0, E0/v. Da mesma forma, os ju´ızos que descrevem das condi¸cões e das instru¸cões estão definidos nas figuras 2 e 3. Na forma impl´ıcita de abuso de nota¸cão, todas as regras estão implicitamente parametrizadas por uma série de defini¸cões de fun¸cões e pro-cedimentos que são consultadas pelas duas regras que descrevem a chamada de fun¸cões e a chamada de procedimentos definidos pelo utilizador. Estas de-fini¸cões de fun¸cões e de procedimentos estão definidas aquando a explora¸cão de um programa p particular.

A semˆantica de um programa p particular ´e definida por um ju´ızo da forma

p →

Este ju´ızo p → lê-se “o programa p executa-se sem erro e termina”. A sua defini¸cão é dada na figura 4.

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Figura 1:

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Figura 3: