Historické kompilátory jazyka C na vlastní kůži (1)

30.6.2018 10:42 | Přečteno: 4321× |

Před časem jsem se ptal staršího kolegy, jestli někdy na vlastní oči viděl zdrojový kód nějakého starého kompilátoru vzniklý v dobách, kdy související matematická teorie překladačů teprve vznikala, protože udělat kompilátor pro jazyky, jako je C, jistě byla výzva. Bohužel neviděl, takže nažhavme stroje času, musíme se podívat sami.

Než se nám stroje času nažhaví, můžeme se zatím na to, co nás zajímá, podívat pomocí konvenčnější techniky. Jako první se nám do hledáčku dostane jedinečná historická perla. Nic menšího, než první dochovaný překladač jazyka C z roku 1972 napsaný v jazyce C, tedy plně bootstrapovatelný.

První překladač jazyka C samozřejmě nebyl napsán v Céčku. Na začátku byl překladač jazyka B napsaný v jazyce BCPL. Když se podařilo provést bootstrapping jazyka B, tedy napsat jeho funkční překladač v něm samotném, Ritchie a Thomson tento jazyk zkoušeli dále vylepšit. Výsledkem jejich úsilí byl jazyk C, jehož překladač byl z B přepsán do C. Ten se naštěstí dochoval, takže si jeho bootstrapping můžeme zopakovat sami. Stačí nám k tomu počítač PDP-11 s nainstalovaným dobovým Unixem a samozřejmě už přeložený překladač jazyka C.

Pokud jste teď šli zkontrolovat, jestli je váš stroj času už dostatečně teplý, mohli jste si těch pár kroků a dávek radiace ušetřit, protože díky řadě nadšenců vám k tomu bude stačit i váš zoufale moderní počítač. Potřebujete jen simulátor Apout a kopii filesystému Unixu (v1bins.tar.gz). Vše si můžete snadno opatřit zde.

Apout je simulátor počítače PDP-11, který překládá systémová volání na nativní volání Unixu, na němž běží, díky čemuž nepotřebuje složitě emulovat veškerý hardware a disky. Je proto také velice rychlý a pohodlný na používání. Stačí ho přeložit příkazem make. Zmíněná kopie filesystému Unixu také naštěstí obsahuje překladač Céčka, který je schopen náš dochovaný zdrojový kód přeložit. Jednoduše rozbalíte soubor last1120c.tar.gz, v souboru mak upravíte cestu k rozbalenému rootu Unixu, spustíte a odměnou vám bude binární soubor cc o velikosti 4,5 kB, jímž můžete nahradit původní překladač a provést vše znovu, pokud chcete bootstrapping opravdu dotáhnout až do konce.

Doporučuji si obsah skriptu mak řídící překlad prohlédnout, i když odkrývá jen část pravdy. Kompilátor totiž sám překlad do strojového kódu neprovádí, ale dělá překlad do assembleru, který poté přeloží voláním programu as. Vše se slinkuje využitím programu ld, který také nevolá obslužný skript, ale program překladače. Jak vidno, i v bezmála padesát let starém systému si můžete připadat jako doma.

Jak tedy dokázali s omezenými hardwarovými prostředky a doslova v pár lidech na začátku sedmdesátých let napsat překladač Céčka? V první řadě je třeba si uvědomit, že Céčko z roku 1972 není ani zdaleka podobné jazyku C, jak ho známe dnes. Je dokonce výrazně jednodušší než “standard” K&R. I starými překladači Céčka jeho zdrojáky nepřeložíte. Zapomeňte na preprocesor, zapomeňte dokonce i na struktury, zapomeňte na většinu typů, zapomeňte na typedef. Při pohledu na zdrojáky v něm napsané přímo bije do očí, že se skutečně jedná jen o jakousi nadstavbu nad assemblerem.

Každému, kdo se o Céčko zajímá alespoň okrajově, doporučuji se na zdrojový kód toho překladače podívat. Malá ochutnávka, kód funkce printf:

printf(fmt,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9)
char fmt[]; {
	extern printn, putchar, namsiz, ncpw;
	char s[];
	auto adx[], x, c, i[];

	adx = &x1; /* argument pointer */
loop:
	while((c = *fmt++) != '%') {
		if(c == '\0')
			return;
		putchar(c);
	}
	x = *adx++;
	switch (c = *fmt++) {

	case 'd': /* decimal */
	case 'o': /* octal */
		if(x < 0) {
			x = -x;
			if(x<0)  {	/* - infinity */
				if(c=='o')
					printf("100000");
				else
					printf("-32767");
				goto loop;
			}
			putchar('-');
		}
		printn(x, c=='o'?8:10);
		goto loop;

	case 's': /* string */
		s = x;
		while(c = *s++)
			putchar(c);
		goto loop;

	case 'p':
		s = x;
		putchar('_');
		c = namsiz;
		while(c--)
			if(*s)
				putchar(*s++);
		goto loop;
	}
	putchar('%');
	fmt--;
	adx--;
	goto loop;
}

Jak vidíte, není třeba uvádět návratový typ funkce, protože prostě každá vrací int (už víte, proč getchar vrací int?). Typy argumentů se uvádí ve stylu K&R, ale jen pro ty, které nejsou int. Všechny symboly použité ve funkci včetně jmen volaných funkcí se explicitně uvádí a to dokonce i pokud je použitá funkce definována ve stejném souboru (ale ne vždy je to nutné). Ukazatele se deklarují jinak a zpracování variabilního počtu argumentů funkce je řešeno stylem chytré horákyně. Časté používání goto je ale jen specifikem této funkce, jinde je spíše výjimečné.

Nutno uznat, že tato primitivní verze Céčka má svoje nesporné kouzlo. Takový roztomilý zašlý plyšový medvídek, co ležel několik desetiletí zapomenutý v bedně na půdě. Škoda, že při tak relativně jednoduchém jazyce tenkrát neudělali alespoň bezkonfliktní gramatiku.

       

Komentáře

[xxx]

Neni tam to goto nahodou proto, ze jedna z tech iteraci prekladace neumela vnorene cykly?

[pc2005]

Mě přijde, že tam je ten goto protože ta verze C ještě neumí break, ono by to dávalo smysl, ten break bude jen symbolické pojmenování skoku na konec switch bloku.

[Pavel Křivánek]

break tato verze C už umí. Jak v cyklech, tak ve switchi

[Miloslav Ponkrác]

Ač sem normálně nepíši, u výjimečně kvalitních článků, jako je tento, dělám výjimku.

Je škoda, že jste si nevšimli řady artefaktů u PDP-11 C. Například striktích mezer kolem přiřazování. Protože x = -x je to co čekáte. Složené přiřazovací operátory byly převrácené, takže x=-x je ve skutečnosti dnešní x -= x.

Zároveň je vidět, že nic nebylo přenositelné, což je jev, který do značné míry C zůstal v řadě špatných návyků Céčkových programátorů. Třeba v té funkci printf se volně zaměňuje int a pointer, což řada programátorů dělá dodnes - je to děsně frajerské a připomíná to systémové programovánání - ač si velice snadno natlučou nos.

Absence čehokoli jiného než signed integer způsobila, že máme takové ptákoviny v C/C++, jako jsou záporné kódy znaků ve vyšší polovině znakové tabulky.

Absolutně se nepočítalo s tím, že by C mohlo kdy chodit na něčem menším, než jsou 32bitové procesory. I proto se univerzální int považovalo za absolutně dostatečné pro všechno.

[deda.jabko]

Absolutně se nepočítalo s tím, že by C mohlo kdy chodit na něčem menším, než jsou 32bitové procesory. I proto se univerzální int považovalo za absolutně dostatečné pro všechno.

Kdyby tak Ritchie umel cist z hvezd, ... a vedel, kde se C bude pouzivat za 40 nebo 50 let.

Jeden z duvodu, proc se dostalo C takove uspechu a pouziva se dodnes, je, ze bylo navrzeno jako nastroj, ktery mel resit konkretni problem (implementaci unixu) a ne jako univerzalni reseni vsech problemu.

[Radovan]

"že by C mohlo kdy chodit na něčem menším, než jsou 32bitové procesory"

Proto ho napsali na 16bitovém PDP-11.

[Pavel Křivánek]

děkuji za doplnění

[pc2005]

Ty napevno daný parametry printfu . [joke] va_arg to tehdy asi neumělo co? [/joke]

[deda.jabko]

Za me naprosto elegantni reseni (pro tu dobu). Nepotrebujes zadny kod navic a usetris drahocenou pamet i strojove cykly.

[xxx]

Srandicky, srandicky, ale potkat takhle napsenej debug_print neni v embedded svete zas tak neobvykla zalezitost.

[pc2005]

Jj však i já takhle občas debug_print píšu . Mě ale spíš zarazilo, jak se vlastně teda dělal printf s třeba jen dvěma argumentama (formát a proměnná), to šlo volat funkci s jiným počtem parametrů?

[Gilhad]

Prinejhorsim jsi tam doplnil prislusny pocet nul a ono je to zignorovalo pote, co naplnilo posledni %neco ve formatu. Ale mozna to meli nejak fikane osetrene, jako ze se pro nepouzite promenne pouzily nahodne hodnoty, co zrovna byly na zasobniku (ci v registrech, nebo kde se ty promenne predavaly) - ono se to docela dobre mapuje na nektere ASM instrukce (jako posunuti SP o danou hodnotu a potom RET s danou hodnotou, ktery ho zase posune zpatky.)

Pak by prislusne promenne byly v tele funkce dostupne, i kdyz s neprirazenou (tedy nahodnou) hodnotou a nic by ti nebranilo je tam pouzivat, pokud by to davalo smysl. (Treba bys mel u nejake jine funkce konvenci, ze kdyz je x1==0, tak se i x2 a x3 nastavi na nulu, jinak obsahuji parametry pro vypocet - a vypocet uz by pouzival x1, x2 a x3 s tim, ze jsou definovane, protoze prece bys to nevolal blbe, ze. A mohl by jednoduse zahrnovat vic pripadu ... s tim, ze se x2 a x3 pouzivaji a treba v cyklu zvetsuji o nejakou hodnotu a na konci vypisou ...)

[Pavel Křivánek]

printArgs(var1, var2, var3)
{
	printff("args: %d %d %d\n", var1, var2, var3);
}

main(argc, argv)
int argv[]; {
	printArgs(1);
}

vypíše args: 1 0 16402

Jen hádám, že prostě v rámci funkce brali argumenty přímo z paměti relativně k vrcholu SP a uklid zásobníku se staral ten, kdo prováděl volání.

[pc2005]

Jo taky mě to tak připadá, dobrá betaverze jazyka .

[Michal Kubeček]

Právě proto byla zrovna takhle céčková volací konvence navržena a funguje tak dodnes. Tedy až na to, že modernější ABI předávají prvních několik parametrů v registrech - např. na x86_64 je jich šest (%rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9). Ale i pak pořád platí, že pokud volající předá víc parametrů, než si volaný myslí, že jich má být, bude to stejně fungovat (pokud souhlasí typy).

[sad]

Novější funkce printf() pro Plan 9.

https://github.com/0intro/plan9/blob/master/sys/src/libstdio/vfprintf.c

[.]

Tak schválně se nad tou otázkou proč getchar vrací int ještě jednou zamysli.

[pc2005]

Na chybové hodnoty by mohl vracet klidně i signed short :-P.

[Radovan]

Jenže on nevrací chybové hodnoty, ale znak nebo EOF. Což je 257 stavů, pokud teda nepracuješ výhradně se sedmibitovým ASCII.

[pc2005]

RTM:

or EOF on end of file or error

Každopádně rozumíme si. Prostě víc stavů než 256.

[Michal Kubeček]

Neznám platformu, kde by signed short (o kterém se píše v komentáři, na který jste odpovídal) pro reprezentaci 257 různých hodnot nestačil.

[Radovan]

Tak to bych chtěl vidět ty tvoje platformy, protože já na těch co znám do osmi bitů 257 různých hodnot opravdu nacpat nedokážu

[Michal Kubeček]

Tak třeba gcc na i386, x86_64, ppc, ppc64, ppc64le, s390, s390x, armv7l, aarch64, … na všech má typ signed short 16 bitů, což na 257 různých hodnot bohatě stačí. Zato na příklad nějaké, kde by měl 8 bitů, vzpomínám marně. (Ale možná se nějaká taková kdysí dávno opravdu používala.)

[Radovan]

A jak to bylo na PDP-11, kde UNIX vznikl?

[Michal Kubeček]

Tady osobní zkušeností posloužit nemohu, ale Kernighan a Ritchie ve své knize uvádějí, že to bylo… 16 bitů. A ani na žádném dalším systému, které uvádějí jako příklad v téže tabulce (Honeywell 6000, IBM 370, Interdata 8/32), nemá short méně než 16 bitů - a už vůbec ne tak málo, aby nestačil k zápisu 257 různých hodnot. (Abychom byli úplně přesní: na Honeywell 6000 má char 9 bitů - ale short 36, takže pořád ostře větší.)

Takže se zeptám přímo: víte vy o nějaké reálně používané platformě, kde by měl datový typ short (resp. signed short) méně než 9 bitů?

[Kate]

Teď jsem se jen tak cvičně koukla na Power C na Commodore 64 a taky 2 byty. Taková platforma asi fakt existovat nebude :)

[pc2005]

Já to bral z wikipedie, kde píšou pro signed short at least [−32,767, +32,767].

Ale zase ve světle toho novějšího blogpostu s ascii, kde to pro 128-255 podteče/přeteče by možná stačil i signed char.

[Radovan]

Není nic jednoduššího, než si osobní zkušenost pořídit: http://pdp11.aiju.de

[Martin Mareš]

Důvod je poměrně jednoduchý: v Céčku nemá valný smysl definovat funkci, která vrací cokoliv menšího než int, jelikož její výsledek se díky integer promotions stejně okamžitě přetypuje na int. Vracet menší typ má smysl spíš jako dokumentace, případně to občas (třeba v případě booleovského typu) pomůže optimalizacím založených na rozsazích hodnot.