컴파일러(compiler)

사람이 쓰는 언어를 자연언어, 컴퓨터 언어를 인공언어라고 한다.

컴퓨터는 0과 1로 구성된 2진법 기계어만 취급하므로 사람이 명령어를 작성하기에 매우 불편했기 때문에, 조금 더 편리한 프로그래밍 언어인 어셈블리어를 사용하게 되었다. 그러나 어셈블리어도 기계어보다 조금 편리할 뿐 다루기에 여전히 어려웠다. 해서 사람들은 영어와 유사한 고급언어를 만들게 된다. COBOL, PASCAL, 그리고 최근에도 사용하는 C, C++, JAVA 등이 모두 고급언어다.

기계어보다는 어셈블리어가, 어셈블리어보다는 고급언어가 배우고 사용하기에 쉽고 유용하지만 이러한 고급언어로 작성된 프로그램은 컴퓨터가 이해할 수 있도록 기계어로 번역하는 과정이 필요했다.

 

원시프로그램	번역기	목적프로그램
어셈블리어	어셈블러	기계어
고급언어	컴파일러	저급언어
고급언어	인터프리터	실행결과
고급언어	프리프로세서	고급언어

 

 

여기서 가장 대표적인 번역기는 컴파일러와 인터프리터가 있다. 순수한 컴파일러나 순수한 인터프리터는 너무 극단적인 방법으로 잘 사용하지 않으며 일반적으로 두 기법을 함께 사용하여 컴퓨터에 구현한다. 컴파일러와 인터프리터의 차이점은 다음과 같다.

 

📌 컴파일러

컴파일러는 고급 프로그래밍 언어를 기계어로 번역하는 프로그램이다. 번역 과정은 일반적으로 어휘분석 단계, 구문분석 단계, 의미분석 단계, 중간코드 생성 단계, 코드최적화 단계, 목적코드 생성 단계로 총 6단계의 과정으로 구분된다. 프로그램 전체를 스캔하여 기계어로 번역한다. 인터프리터보다 시간이 오래 걸리지만 한 번 전체적으로 디코딩하고 나면 그 다음부터는 실행만 하기 때문에 전체 실행시간 측면에서 효율적이다. 대신 몇 줄의 원시 프로그램이 기계어로 번역될 때 몇백 개로 늘어나는 경우가 존재하기 때문에 큰 기억장소를 필요로 한다. 반복문 등 많은 횟수로 반복 처리되는 프로그램의 경우 컴파일러 기법이 큰 장점을 갖는다.

대표 언어로는 FORTRAN, COBOL, PASCAL, PL/I, C, C++, JAVA 언어 등이 있다. 

 

📌  인터프리터

인터프리터는 컴파일러와 반대되는 특성을 가진 기법으로 한 번에 한 줄을 번역하기 때문에 컴파일러보다 실행 시간이 오래 걸린다. 특히 반복문이 있을 경우 반복횟수만큼 명령어를 계속 가져와 디코드 후 실행하므로 시간이 많이 소요된다. 그러나 사용자가 실행 과정을 눈으로 볼 수 있고, 사용자와 일문일답의 대화가 가능하며 융통성있게 활용하는 것이 가능하다. 컴파일러에 비해 적은 기억장소를 요구한다.

대표 언어로는 Python, Ruby, Javascript, R 등이 있다. 

 

 

📌  컴파일러의 논리적 구조

컴파일러는 고급언어로 쓰인 원시 프로그램을 입력 받아서 컴퓨터에서 실행 가능한 형태의 목적 프로그램을 출력해주는 컴퓨터 프로그램이다. 사람이 작성한 고급 언어를 컴퓨터가 알아들을 수 있도록 번역해서 목적 프로그램을 만들어 주는 거다. 영어 번역과 비유하면 다음과 같다.

 

영어문장	컴파일러
단어분석	어휘분석
문장분석	구문분석
해석	의미분석

 

컴파일러의 논리적 구조는 6단계의 과정으로 구분할 수 있다.

 

(1) 어휘분석 단계

-원시 프로그램을 읽어들여서 어휘들을 떼어내 올바른지 분석.

-어휘가 올바르면 *토큰(token)형태로 출력, 올바르지 않으면 오류 메시지를 표시한다.

-어휘분석기(lexical analyzer), 스캐너(scanner)

*토큰(token): 의미 있는 최소의 문법적 단위.

 

(2) 구문분석 단계(Parsing)

-토큰들을 입력으로 받아 토큰들의 열이 올바른 문장 구조를 갖고 있는지 검사.

-문장이 올바르면 구문 구조(구문 트리) 출력, 올바르지 않으면 오류메시지를 표시한다.

-구문 분석기(syntax), 파서(parser)

 

(3) 의미분석 단계

-구문 트리의 의미/기능 분석.

-올바르게 수행될 수 있도록 환경을 조성한다. 

-실행 전 사전작업: 자료 구조 정의, 혼합형 연산(정수형은 정수형끼리, 실수형은 실수형끼리 연산할 수 있도록 자료형을 바꿔준다.), 기호표

 

(4) 중간코드 생성 단계

-최적화를 위한 중간 단계.

-파스트리를 또는 구문트리를 순회하면서 중간코드를 생성한다. ex) 3주소코드(쿼드러플 Quadruple), 후위 표기법

 

(5) 코드최적화 단계

-효율화, 최적화

-수행시간 최소화, 기억 공간 최소화

 

(6) 목적코드 생성 단계

-연산을 수행할 레지스터를 선택하거나 자료에 기억장소 위치를 정해준다.

-중간코드를 기계명령어로 바꾸어준다.

 

 

📌  컴파일러의 물리적 구조

컴파일러가 해야 할 일은 상기 6단계 논리적 요소로 나누어 생각할 수 있다는 의미일 뿐이지 꼭 이와 같이 구성되는 것은 아니다. 컴파일러의 논리적 구조를 실제로 구현하는 경우 그 물리적 구조는 논리적 구조와 반드시 일치하지는 않는다.

컴파일러 구현에서는 여러 단계를 모아 하나의 모듈로 묶을 수 있는데, 이것을 패스(pass)라고 한다. 현재 많이 사용하는 방법으로는 1-패스 컴파일러와 2-패스 컴파일러로 두 가지가 있다. 1패스 컴파일러는 초창기에 사용했던 방법으로 전 과정을 하나의 패스로 구현하는 방법이고, 2-패스는 중간코드 생성 단계를 기점으로 2패스로 나누어 앞 단계를 전반부, 뒤 단계를 후반부로 구성하는 방법이다.

 

1패스 컴파일러는 전진분기 처리를 위해 빈칸으로 남겨두었다가 그 정보를 얻었을 때 채워 넣는 *백패칭(backpatching)이 필요하다. 실행 속도가 빠르다는 장점이 있다. 

*백패칭(backpatching): 예를 들어, if (A or B) and C 와 같은 if문을 번역하는 경우에 각각의 분기점(1. A는 참, B는 참/ 2. A는 참, B는 거짓... 등)에 대해서 번역할 당시에는 알 수 없다. 따라서 나중에 거꾸로 채워봐야 알 수 있는데 이것을 백패칭이라고 한다. 이해를 돕기 위해 작성했을 뿐 정확하지 않음.

 

2패스 컴파일러는 코드로 직접 번역하지 못하기 때문에 기계 코드 표현에 제약을 받고 실행속도가 느리다는 단점이 있다. 하지만 컴파일러를 기능적으로 독립된 여러 모듈로 구성할 수 있기 때문에 이식성(portability)이 좋고, 중간 코드를 이용한 최적화에 따라 기계와 독립적인 최적화가 가능하며 하나의 패스가 사용했던 공간을 다시 사용할 수 있으므로 기억장소를 절약할 수 있다. 일반적으로 2-패스 컴파일러를 사용한다.