ユーザープログラムの多段階処理

コンピュータ システムは、コンピュータのプロセッサで実行できるように、ユーザーの高級プログラミング言語プログラムをマシン コードに変換する必要があります。マルチステップとは、ユーザー プログラムを実行可能コードに変換する際に関与する複数のプロセスを説明するために使用される用語です。

ユーザー プログラムは通常、字句解析、構文解析、意味解析、コード作成、最適化、リンクなど、複数のステップの処理中にさまざまな段階を経ます。ユーザー プログラムを高レベルの形式からコンピューター システム上で実行できるマシン コードに変換するには、各段階が不可欠です。

ユーザープログラム

オペレーティング システムやその他のシステム ソフトウェアのコンポーネントとは異なり、ユーザー プログラムはユーザーによって作成および実行されるコンピューター プログラムです。ほとんどの場合、ユーザー プログラムは高級プログラミング言語で作成され、データ処理、ファイル管理、ユーザー インターフェイスの操作などの特定のアクティビティを実行するように設計されています。

テキスト エディタ、Web ブラウザ、音楽プレーヤー、スプレッドシートやプレゼンテーション ソフトウェアなどの生産性アプリケーションは、ユーザー プログラムの例です。通常、ユーザーは特定のタスクまたは一連の責任を実行するために、これらのプログラムをコンピュータ システムにインストールして実行します。

ユーザー プログラムは、C、C++、Java、Python、JavaScript などのさまざまなプログラミング言語を使用して構築できます。ターゲット プラットフォームとプログラミング言語に応じて、コンパイルまたは解釈できます。ユーザー プログラムを構築した後、ダウンロード用にオンラインで公開したり、他のユーザーに配布したりできます。

アドレスをメモリにバインドする

プログラムで使用される論理アドレスをコンピューター メモリ内の物理アドレスにマッピングするプロセスは、アドレスをメモリにバインドすると呼ばれます。コンピュータ システムは、プログラムの命令とデータをメモリのどこにロードするかを知っている必要があるため、このプロセスはプログラムの実行にとって重要です。

アドレスのメモリ バインドには 3 つのタイプがあります -

コンパイル時バインディング - コンパイル時に決定され、プログラム実行中に変更されないバインディングは、コンパイル時バインディングと呼ばれます。これらの正確なアドレスは生成されたマシン コードに含まれており、オペレーティング システムはそのコードをメモリにロードするだけです。

ロード時バインディング - このバインディングでは、プログラムのロード時に変数と命令のメモリ アドレスが選択されます。オペレーティング システムはコードをメモリにロードし、シンボリック参照を物理アドレスに変換して、プログラムを実行します。コンパイラは、メモリ位置へのシンボリック参照を含む再配置可能コードを作成します。

実行時バインディング - このバインディングでは、変数と命令のメモリ アドレスが必要に応じて選択されます。この戦略を使用すると、プログラムの実行中に必要に応じてメモリを動的に割り当てることができます。このバインディングは通常、動的ライブラリまたはプラグインを使用するプログラムによって使用されます。

高級プログラミング言語で書かれたソース コードをコンピューターで実行できるように機械語に変換するプロセスをコンパイルといいます。この変換はコンパイラと呼ばれるコンピュータ プログラムによって実行されます。ターゲット システム上で実行できる実行可能ファイルまたはオブジェクト ファイルは、通常、コンパイラの出力です。

字句分析、構文分析、意味分析、コード作成および最適化は、コンパイル プロセスの段階の一部です。以下に各段階の簡単な説明を示します -

- この段階では、ソース コードをキーワード、識別子、リテラル、演算子などとしてマークする必要があります。

- プログラムの構文を分析して、プログラムがプログラミング言語の規則に準拠していることを確認することは、構文分析フェーズのタスクです。構文が有効なプログラムを作成することを保証する方法で、それをプログラミング言語の構文と比較します。

- このステップでは、プログラムの意味またはセマンティクスを調べます。これにより、プログラムが変数の型、関数呼び出し、その他の事項に関する言語の制限を遵守することが保証されます。

- このステップでは、ソース コードをマシン コードまたはアセンブリ コードに変換する必要があります。生成されたコードはコンピュータの CPU ですぐに実行可能で、多くの場合、ターゲット プラットフォームに合わせてカスタマイズされます。

- このフェーズでは、パフォーマンスを向上させるためにコードが変更されます。プログラムの実行に必要な命令の数を減らすために、コンパイラはループの展開、関数のインライン化、コードの移動などの最適化手法を使用することがあります。 ユーザープログラムの多段階処理のユースケース

- マルチステップ処理の主な使用例は、高レベルのプログラミング言語をマシンコードにコンパイルすることです。これにより、ユーザーは人間が可読で表現力豊かな言語でプログラムを作成し、それをコンピューター システム上で実行できる実行可能コードに変換できるようになります。

- ユーザー プログラムのエラーや不一致は、字句解析、構文解析、意味解析など、複数ステップの処理のさまざまな段階で検出されます。これは、開発プロセスの初期段階で問題を特定してデバッグするのに役立ち、プログラムの正確さと信頼性を確保します。

- マルチステップ処理の最適化フェーズでは、プログラムのパフォーマンスの向上に焦点を当てます。コードの再編成、ループ展開、関数のインライン化などの手法を通じて、コンパイラーはより効率的に実行される最適化されたコードを生成でき、その結果、より高速で効率的なプログラムが作成されます。

プラットフォーム固有のコード生成 - 複数ステップのプロセスのコード生成段階では、高レベルのプログラムがターゲット プラットフォーム固有のマシン コードまたはアセンブリ コードに変換されます。これにより、プログラムは基盤となるハードウェア アーキテクチャのリソースと機能を効率的に利用して、最適なパフォーマンスと互換性を実現できます。

外部ライブラリとの統合 - マルチステップ処理のリンク フェーズでは、ユーザー プログラムと外部ライブラリまたはモジュールを組み合わせます。これにより、プログラムは既存の機能とリソースを活用し、車輪を再発明することなく機能を拡張できるようになります。これにより、開発者はプログラミング言語エコシステムで利用可能なライブラリの広大なエコシステムを活用できるようになります。

次の C コードは、2 つの整数の合計を計算し、結果を出力する単純なプログラムを示しています。変数 a と b はそれぞれ値 5 と 10 に初期化され、それらの合計が変数 sum に格納されます。 printf 関数は、合計を目的の形式で表示するために使用されます。

出力

プログラムの出力は次のようになります:

高級プログラミング言語をコンピュータで実行可能な機械語に変換するプロセスは、ユーザー プログラムのマルチステップ処理と呼ばれます。このプロセスを構成する段階には、字句分析、構文分析、意味分析、コード生成、最適化、リンク、ロード、実行などがあります。ユーザーのプログラムにエラーがなく、最適化され、実行可能な状態であることを保証するために、各ステージは指定されたタスクを完了します。ターゲット プラットフォームで実行できる実行可能ファイルまたはオブジェクト ファイルは、通常、プロセス出力です。ソフトウェア開発者が効率的で最適化されたプログラムを作成するには、このプロセスを理解することが重要です。

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