DE19617719C2 - Verfahren zur Programmübersetzung eines in der Programmiersprache C++ geschriebenen Programms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Programmübersetzung eines in der Programmiersprache C++ geschriebenen, aus mehreren Quelldateien bestehenden Programms, dessen Quelldateien insbesondere zur Software-Entwicklung mehrmals, in getrennten Durchgängen, zu übersetzen sind und Templates benutzen, die durch Instantiierung einem Code zugewiesen werden, in einen Objektcode, der durch anschließendes Linken in einen ausführbaren Code umgesetzt wird.

Bei der Programm- bzw. Software-Entwicklung wird in üblicher Weise ein Quellprogramm vom Programmierer erstellt, das in einer höheren Programmiersprache geschrieben ist. Derartige höhere Programmiersprachen, auch Hochsprachen genannt, verfügen über einen prozessorunabhängigen Befehlssatz, der zur Weiterverarbeitung in einem Computer zunächst in eine maschinenlesbare Sprache übersetzt werden muß. Für diesen Übersetzungsschritt bedient man sich spezieller Übersetzungsprogramme, sogenannte Compiler-Programme, die das Quellprogramm vollständig einmal und dauerhaft übersetzen, wobei zur vollständigen Übersetzung des Gesamtquellprogramms meist mehrere Über­ setzungsdurchgänge notwendig sind. Durch diesen soge­ nannten Compilierungsvorgang wird ein Objektcode er­ halten, der zur fehlerfreien Anwendung in einem Rechner noch mit entsprechenden sogenannten Bibliotheken ver­ bunden werden muß. Dies erfolgt mit Hilfe eines Linkers, der ebenfalls ein Programm darstellt und den mit einem Compiler generierten Objektcode mit den Bibliotheken zu einem ablauffähigen Programm verbindet.

Unter der Vielzahl bekannter höherer Programmiersprachen beschränken sich die folgenden Ausführungen ausschließlich auf die Programmiersprache C++, die im Jahre 1980 als Weiterentwicklung der Programmiersprache C hervorging. Zwar gilt sie als assemblernahe Programmiersprache, d. h. es werden maschinennahe Anweisungen verwendet, doch sind die in C++ verwendeten Anweisungen prozessorunabhängig, so daß ein in C++ geschriebenes Programm wie vorstehend beschrieben in einen maschinenlesbaren Code übersetzt werden muß.

Neben den in der Programmiersprache C++ geschriebenen Anweisungen, aus denen die einzelnen Quelldateien eines in der C++-Sprache geschriebenen Programmes bestehen, sehen C++-Programme sogenannte Templates vor, die als Platzhalter für näher zu spezifizierende Informationen im Programm integriert sind. Templates ermöglichen es beispielsweise Implementationen von Klassen und Funktionen zu parametrisieren. Derartige, als Templates bezeichnete Platzhalter, werden häufig in C++- Programmen benutzt.

Eine besondere Eigenart von Templates besteht darin, daß bei der Compilation der in der C++-Sprache geschriebenen Quelldateien, in denen Templates enthalten sind, für jedes Template ein Code erzeugt wird, der in einer vom Compiler zu erzeugenden, sogenannten Template-Include-Datei abgespeichert wird. Dieser Vorgang der Codeerzeugung für Templates wird auch als Instantiierung bezeichnet und ist für den nach­ folgenden Linkvorgang, wie im weiteren beschrieben wird, von entscheidender Bedeutung. Zu Beginn des Link- Prozesses für C++-Programme wird zunächst geprüft, ob von bestehenden Template-Include-Dateien aktuelle Objektcode-Dateien existieren. Ist das nicht der Fall, so werden diese durch den C++-Compiler erzeugt.

Je größer die Anzahl der im Quellprogramm vorhandenen Templates, umso mehr Codes werden bei der In­ stantiierung in die Template-Include-Datei einge­ schrieben, wodurch die Template-Include-Datei an Speichervolumen zunimmt.

Hinzukommt, daß insbesondere im Stadium der Programm- Entwicklung Übersetzungsdurchgänge für einzelne Quelldateien mehrmals durchgeführt werden müssen, bei denen pro Übersetzungsdurchgang bei jedem auftretenden Template eine Codezuweisung erfolgt, die in der Template -Include-Datei abgespeichert wird. Auf diese Weise wächst das Speichervolumen der Template-Include-Datei sehr stark an.

Bei den bisher bekannten Compiler-Programmen für die Übersetzung von C++-Programmen werden die von Templates herrührenden Codes additiv in der generierten Template-Include-Datei abgespeichert, unabhängig davon, ob inhaltsgleiche Informationen bereits in der Datei enthalten sind oder nicht. Bei zyklischen Programmübersetzungsprozessen hat diese Vorgehensweise jedoch fatale Folgen: Zum einen werden die Template- Include-Dateien sehr groß und zum anderen wird das Compiler-Programm durch Hinzufügen identischer Informationen vor dem Linkvorgang der Objekt-Dateien gezwungen, die Informationen in der Template-Include- Datei neu zu übersetzen.

Aufgrund des großen Speichervolumens der sich im Rahmen mehrerer Entwicklungszyklen bildenden Template-Include- Datei bewegen sich die Zeitdauern für den nachfolgenden Linkprozeß in der Größenordnung von 20 bis 40 Minuten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Programmübersetzung eines mit der Programmiersprache C++ geschriebenen, aus mehreren Quelldateien bestehenden Programms, dessen Quelldateien insbesondere zur Software-Entwicklung mehrmals, in getrennten Durchgängen, zu übersetzen sind und Templates benutzen, die durch Instantiierung einem Code zugewiesen werden, in einen Objektcode, der durch anschließendes Linken in einen ausführbaren Code umgesetzt wird, dadurch weiterzuentwickeln, daß die Größe der bei der Instantiierung von Templates erforderlichen Template-Include-Datei erheblich minimiert wird, so daß die Zeitdauer für das an­ schließende Linken wesentlich verkürzt werden kann.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Ansprüchen 2 ff. zu entnehmen.

Dabei wird ein Verfahren zur Programmüber­ setzung eines in der Programmiersprache C++ ge­ schriebenen, aus mehreren Quelldateien bestehenden Programms, gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, derart ausgebildet, daß die Übersetzung der Quelldateien in Objektcode-Dateien und die Codeerzeugung für die Instantiierung der Templates in getrennten Übersetzungsdurchgängen durchgeführt wird, wobei für die Instantiierung der Templates alle Quelldateien des Programms benutzt werden.

Insbesondere zeichnet sich das vorliegende Verfahren dadurch aus, daß bei der getrennten Übersetzung der Quelldateien in den Objektcode solange kein Code für die Instantiierung der Templates erzeugt wird, bis alle Quelldateien übersetzt sind und daß im Anschluß daran in einem getrennten Übersetzungsvorgang unter Benutzung aller Quelldateien des Programms ein optimierter Code für die Instantiierung der Templates erzeugt wird, der während des nachfolgenden Linkens benutzt wird.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die in einem C++-Programm enthaltenen Templates in einem einzigen Übersetzungsdurchgang zu übersetzen, der getrennt von den Übersetzungsdurchgängen für die Quelldateien abläuft. Insbesondere bei der Software-Entwicklung ist diese Vorgehensweise von besonderem Vorteil, da der Inhalt der Template-Include-Dateien auch bei mehrmaligem Übersetzen gleicher Programmteile nicht modifiziert wird, wodurch der nachfolgende Link-Vorgang in wesentlich kürzerer Zeit, d. h. in wenigen Minuten, vorzugsweise 2 bis 4 Minuten, und unabhängig von der Zahl der zuvor erfolgten Übersetzungsdurchläufe ab­ laufen kann.

Die im vorstehenden beschriebene erfindungsgemäße Idee ist anhand eines konkreten Forschungsprojektes der Anmelderin getestet worden. In einem Projekt "FAPU" ist in der Programmiersprache C++ ein Programmsystem reali­ siert worden, daß in etwa 160000 Zeilen Code über etwa 100 mittels Templates realisierte parametrisierte Klas­ sen enthält. Bei ständig wachsender Anzahl der Pro­ grammdurchläufe durch den andauernden Entwicklungszyk­ lus traten auf einer IBM RS/6000, Typ 390 H mit 128 MB- Hauptspeicher reine Linkzeiten von etwa 40 Minuten auf. Zur Erklärung hierfür sei im folgenden eine Passage aus dem Programmübersetzungs-Benutzerhandbuch (x1C-Überset­ zer, IBM 93) zitiert:
"By default, the compiler builds and compiles the special template-include files in the tempinc subdirec­ tory of the working directory.

The compiler builds a template-include file correspon­ ding to each header file containing template function declarations. After the compiler creates one of these files, it may add any information to it as each compi­ lation unit is compiled. However, the compiler never removes information from the file."

Bei einem wie im Vorstehenden zitiert, Datei-basierten Arbeiten, ist dies die einzige mögliche Vorgehensweise. Der Compiler besitzt keinerlei sogenannte Kontextinfor­ mationen über die zu einer Anwendung gehörenden Da­ teien, so daß er nur Informationen zu den Beschrei­ bungsdateien hinzufügen kann. Bei zyklischen Entwick­ lungsprozess hat dies jedoch fatale Folgen.

Zum einen werden die Dateien im tempinc-Unterverzeich­ nis schnell sehr groß, und zum anderen wird der Compi­ ler durch das Hinzufügen identischer Informationen vor dem eigentlichen Binden der Objektdateien gezwungen, die Dateien im tempinc-Unterverzeichnis neu zu überset­ zen.

Als Endeffekt erhält man je nach der Anzahl der Ent­ wicklungszyklen seit dem letzten kompletten Löschen des tempinc-Verzeichnisses reine Linkzeiten in der Größen­ ordnung von 20 bis 40 Minuten. Die im Benutzerhandbuch vorgeschlagene Lösung, das tempinc-Unterverzeichnis zu löschen, kann jedoch nicht immer verwendet werden. Gerade bei großen Anwendungen kann dies nicht reali­ siert werden, da dann alle zur Anwendung gehörenden Dateien auch neu kompiliert werden müßten. Dies bedeu­ tet, daß die Vorteile des Make-Mechanismus außer Kraft gesetzt würden und eine Verkürzung der Linkzeit durch eine längere Kompilationszeit erkauft wird.

Die prototypische Lösung im vorstehenden Projekt be­ stand darin, aus allen zu einem Programmsystem gehö­ renden Dateien eine spezielle "template-include-Datei" vor dem Linkprozeß zu generiern.

So kann dem verwendeten xlC-Compiler über einen "Schal­ ter" mitgeteilt werden, in welchem Verzeichnis die Template-Include-Dateien angelegt werden sollen. Es ist jedoch nicht möglich, die Generierung dieser Dateien zu unterbinden, ohne daß die Codes für die Instantiierung der Templates "inline" kompiliert werden. Deshalb wird mit unterschiedlichen Verzeichnissen für die Template- Include-Dateien während der Übersetzungs- und der Link­ phase gearbeitet. Die zur Kompilationszeit erfolgten Einträge werden anschließend gelöscht. Die eigentlische Datei zur Beschreibung der Templates - fapu.hh.C - wird vor der Link-Phase unabhängig vom verwendeten Compiler zunächst als temporäre Datei gemäß der in dem vorste­ hend genannten Benutzerhandbuch (IBM93) beschriebenen Struktur erzeugt. Dazu werden alle zu einem Projekt gehörenden Header- und Implementationsdateien parsiert. Um unnötige Kompilationen der Template-Beschreibungs­ funktionen während der Link-Phase zu vermeiden, wird die temporäre im Template-Include-Datei nur dann in das Verzeichnis fapu-tempinc kopiert, wenn dort noch keine Datei fapu. hh. C im entsprechenden Verzeichnis exis­ tiert, oder wenn diese Unterschiede zu der temporären Version aufweist.

Das im folgenden angegebene Programm ist ein sogenann­ tes Shell-Programm und dient sowohl zur Generierung eines Datenbank-Schemas zur Benutzung mit der objekt­ orientierten Datenbank "ObjektStore" (ODI94) als auch zur Generierung der Template-Include-Datei für den x1C- Compiler, da beide mit analogen Strukturen arbeiten. In dem vorstehend beschriebenen Projekt "FAPU" sind nur Templates für spezielle Arten von ObjektStore-Collec­ tion-Klassen benutzt worden, wodurch die Programmstruk­ tur sehr einfach gehalten werden konnte.

Der folgende Programmteil dient lediglich zur Angabe eines erfindungsgemäßen Beispieles zur Anwendung der technischen Lehre des vorstehend geschilderten er­ findungsgemäßen Gedankens:

Claims (4)

1. Verfahren zur Programmübersetzung eines in der Programmiersprache C++ geschriebenen, aus mehreren Quelldateien bestehenden Pogramms, dessen Quelldateien insbesondere zur Software-Entwicklung mehrmals, in getrennten Durchgängen, zu übersetzen sind und Templates benutzen, die durch Instantiierung einem Code zuge­ wiesen werden, in einen Objektcode, der durch an­ schließendes Linken in einen ausführbaren Code umge­ setzt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein xlC-Übersetzer verwendet wird, der in getrennten Übersetzungschritten der Quelldateien in den Objektcode solange keinen Code für die Instantiierung der Templates erzeugt, bis alle Quelldateien übersetzt sind, und
daß im Anschluß daran in einem getrennten Übersetzungsdurchgang unter Benutzung aller Quelldateien des Programms ein optimierter Code für die Instantiierung der Templates erzeugt wird, der während des nachfolgenden Linkens benutzt wird, so daß der Link-Vorgang wenige Minuten benötigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Template-include-Datei generiert wird, in die die im Quellprogramm enthaltenen Templates in übersetzter Code-Form eingeschrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer erneuten Pro­ grammübersetzung eines bereits übersetzten Quellpro­ gramms die erzeugte temporäre Template-include-Datei mit der bereits bestehenden Template-inlcude-Datei verglichen wird und bei Übereinstimmung übernommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Übernahme der Erzeugungszeitpunkt der alten Template-include-Datei auf einen aktuellen Übersetzungszeitpunkt gesetzt wird, so daß diese Datei nicht noch einmal übersetzt wird.