Trình biên dịch compiler là gì? Mọi điều cần biết

Trình biên dịch compiler là gì, compiler là gì, #allfreevn chia sẻ quá trình biên dịch thông thường bao gồm các bước sau.

Trình biên dịch compiler là gì?

Trình biên dịch (compiler) là một phần mềm hoặc công cụ dùng để chuyển đổi mã nguồn từ một ngôn ngữ lập trình thành mã máy hoặc mã trung gian có thể chạy trên một máy tính hoặc một môi trường thực thi khác nhau.

Quá trình biên dịch thông thường bao gồm các bước sau:

1. Phân tích từ vựng (Lexical Analysis): Trình biên dịch sẽ đọc mã nguồn và phân tích các từ (tokens) trong đó. Các từ này có thể là từ khóa, biến, hằng số, toán tử, dấu ngoặc, v.v. Quá trình này được thực hiện bởi một phần gọi là trình phân tích từ vựng (lexical analyzer) hoặc lexer.
2. Phân tích cú pháp (Syntax Analysis): Sau khi đã phân tích từ vựng, trình biên dịch sẽ kiểm tra cú pháp của mã nguồn để xác định xem nó có tuân thủ các quy tắc cú pháp của ngôn ngữ lập trình hay không. Quá trình này được thực hiện bởi một phần gọi là trình phân tích cú pháp (syntax analyzer) hoặc parser. Kết quả của quá trình này là một cây cú pháp (parse tree) hoặc một đại diện cấu trúc khác cho mã nguồn.
3. Phân tích ngữ nghĩa (Semantic Analysis): Sau khi đã có cây cú pháp, trình biên dịch kiểm tra tính hợp lệ và ý nghĩa của các cấu trúc ngôn ngữ. Nó sẽ xác định xem các biến, hằng số, hàm, v.v. có được khai báo và sử dụng đúng cách hay không. Trình phân tích ngữ nghĩa (semantic analyzer) thực hiện công việc này.
4. Tạo mã trung gian (Intermediate Code Generation): Quá trình này liên quan đến chuyển đổi cây cú pháp hoặc biểu diễn ngữ nghĩa của mã nguồn thành một dạng mã trung gian. Mã trung gian có thể là mã ngôn ngữ trung gian (intermediate language) hoặc một biểu diễn khác như cây trừu tượng (abstract syntax tree) hoặc mã trung gian dựa trên stack (stack-based intermediate code).
5. Tối ưu hóa (Optimization): Trong giai đoạn này, trình biên dịch có thể tiến hành tối ưu hóa mã trung gian để cải thiện hiệu suất hoặc kích thước mã được tạo ra. Các kỹ thuật tối ưu hóa có thể bao gồm loại bỏ mã không sử dụng, cải thiện truy cập bộ nhớ, tối ưu hóa biểu thức, v.v.
6. Tạo mã máy (Code Generation): Cuối cùng, trình biên dịch sẽ tạo ra mã máy hoặc mã thực thi từ mã trung gian đã được tối ưu hóa. Quá trình này thường bao gồm việc chuyển đổi các câu lệnh và cấu trúc ngôn ngữ thành mã máy tương ứng cho một kiến trúc máy tính cụ thể.

Các bước trên không nhất thiết phải được thực hiện theo thứ tự tuyến tính và có thể có các bước phụ khác như phân tích định nghĩa, xử lý ngoại lệ ở các ngôn ngữ lập trình hiện đại, các trình biên dịch thường kết hợp nhiều bước trên thành các giai đoạn chồng lấn (overlapping stages) để tăng hiệu suất và tối ưu quá trình biên dịch.

Ngoài ra, còn có một số trình biên dịch đặc biệt như trình biên dịch lỏng lẻo (interpreter) hoặc trình biên dịch JIT (Just-in-Time) mà không tạo ra mã máy trực tiếp mà thực thi mã nguồn hoặc mã trung gian một cách trực tiếp trong quá trình thực thi.

Các trình biên dịch phổ biến bao gồm GCC (GNU Compiler Collection) cho C và C++, Clang cho C, C++, và Swift, javac cho Java, Python interpreter cho Python, v.v. Mỗi ngôn ngữ lập trình thường có ít nhất một trình biên dịch chính hoặc nhiều trình biên dịch thay thế khác nhau có thể được sử dụng để biên dịch mã nguồn trong ngôn ngữ đó.

Trình biên dịch JIT (Just-in-Time) là gì?

Trình biên dịch JIT (Just-in-Time) là một loại trình biên dịch đặc biệt mà không biên dịch toàn bộ mã nguồn thành mã máy trước khi chạy, mà chỉ biên dịch các phần mã cần thiết tại thời điểm thực thi. Quá trình biên dịch JIT xảy ra trong quá trình chạy chương trình, và mã máy được tạo ra được lưu trữ và sử dụng cho các lần thực thi tiếp theo.

Trình biên dịch JIT khác với trình biên dịch thông thường (ahead-of-time compilation) như sau:

1. Thời gian biên dịch: Trình biên dịch thông thường thực hiện toàn bộ quá trình biên dịch trước khi chạy chương trình, trong khi trình biên dịch JIT thực hiện biên dịch tại thời điểm thực thi.
2. Tối ưu hóa: Trình biên dịch thông thường thường có thể thực hiện tối ưu hóa mạnh mẽ nhờ có thời gian dài để phân tích mã nguồn. Trong khi đó, trình biên dịch JIT thường có thời gian hạn chế để tối ưu hóa, vì nó phải tiến hành biên dịch trong quá trình chạy chương trình. Tuy nhiên, trình biên dịch JIT có thể tận dụng thông tin thu thập được trong quá trình chạy để thực hiện tối ưu hóa động (dynamic optimization).
3. Tính linh hoạt: Trình biên dịch JIT cho phép chương trình thực thi có thể thích ứng với môi trường thực thi cụ thể. Nó có thể tùy chỉnh tối ưu hóa và chuyển đổi mã máy để phù hợp với các yêu cầu và đặc điểm của hệ thống cụ thể.
4. Hiệu suất khởi động: Trình biên dịch JIT thường có thời gian khởi động nhanh hơn so với trình biên dịch thông thường, vì nó không cần biên dịch toàn bộ mã nguồn trước khi chạy. Mã máy được tạo ra từ các phần mã cần thiết khi cần thiết, giúp giảm thời gian khởi động ban đầu.

Trình biên dịch JIT thường được sử dụng trong các ngôn ngữ lập trình động như Java (JIT của JVM), C# (JIT của .NET), JavaScript (JIT của các trình duyệt), v.v. Nó giúp cải thiện hiệu suất thực thi chương trình động bằng cách kết hợp tính linh hoạt của trình thông dịch (interpreter) và hiệu suất cao của trình biên dịch.