[컴파일러] 컴파일러의 구조 (Front-End와 Back-End 구성과 역할)

 

 

 

컴파일러의 구조 

 

컴파일러는 Front-end (전단부) 와 Back-end (후단부) 로 나뉜다.

• Front-end → 소스코드의 의미를 분석하고, 중간 표현(IR)을 생성하는 부분
• Back-end → IR을 최적화하고, 실제 기계어 코드로 변환하는 부분

 

 

 

컴파일러의 컴포넌트 

 

컴파일러의 컴포넌트는 다음과 같이 나눠진다 

 

소스 코드 → 목적 코드(target-machine code) 로 변환되는 전 과정을 단계별로 시각화함

 

 

 

1. Lexical Analyzer (어휘 분석기)	문자 스트림(character stream)을 읽고, 토큰(token)으로 나눔  →  a = b + c; → <id,a>, <=,=>, <id,b>, <+,+>, <id,c>	Token stream
2. Syntax Analyzer (구문 분석기)	토큰을 문법에 맞게 트리 구조로 분석 → 구문 트리(syntax tree) 생성. 즉, 프로그램의 구조(문법적 계층)를 파악함.	Syntax tree
3. Semantic Analyzer (의미 분석기)	구문이 문법적으로 맞더라도, 의미적으로 유효한지 검사.예: 변수 선언, 타입 일치 검사, 스코프 확인 등.	AST (Abstract Syntax Tree)
4. Intermediate Code Generator (중간 코드 생성기)	AST를 기반으로 중간 표현(IR) 생성.  →  t1 = b + c / a = t1 같은 3-address code	IR (Intermediate Representation)
5. Machine-Independent Code Optimizer (기계 독립적 코드 최적화)	IR 단계에서의 최적화 수행 (CPU 종류와 무관).  →  상수 폴딩, 불필요한 계산 제거, 루프 단순화 등.	최적화된 IR
6. Code Generator (코드 생성기)	IR을 실제 기계어 또는 어셈블리 코드로 변환  →  Intel x86, ARM 등 특정 아키텍처 명령으로 변환	Target-machine code
7. Machine-Dependent Code Optimizer (기계 의존적 최적화)	CPU 구조나 레지스터 구조에 맞게 코드 최적화.  →  레지스터 할당, 파이프라인 효율화 등.	최종 목적 코드

 

 

 

symbol Table (심볼 테이블)

• 프로그램 내 변수, 함수, 타입, 범위(scope) 등의 정보를 저장하는 데이터베이스.
• 컴파일 전체 과정에서 참조된다. 
  • 예를 들어, 의미 분석기나 코드 생성기에서 변수의 타입/주소 정보를 찾을 때 사용된다. 

 

 

Front-end vs Back-end

구분	주요 단계	주요 목적	출력
Front-end	어휘 분석, 구문 분석, 의미 분석, 중간 코드 생성	프로그램의 의미를 이해하고, 추상화된 IR 생성	IR
Back-end	코드 최적화, 코드 생성, 기계 의존적 최적화	효율적인 기계어 코드 생성	Target Machine Code

 

 

 

 

 

컴파일러의 컴포넌트 - Front-end 

 

 

1단계: Lexical Analysis (어휘 분석기)

입력: 문자 스트림 (원시 소스코드)
출력: 토큰(Token) 스트림

 

역할

• 소스 코드를 의미 단위(Token) 로 쪼갬
• 각 단어가 어떤 종류인지 분류 (식별자 id, 연산자 op, 숫자 num 등)
• 동시에 심볼 테이블(Symbol Table) 을 생성해 변수 정보를 기록한다. 

 

2단계: Syntax Analysis (구문 분석기)

입력: 토큰 스트림
출력: Parse Tree (구문 트리)

 

역할

• 토큰들이 문법에 맞게 배열되어 있는지 검사한다, 
• 문법 규칙(Grammar)에 따라 구조적인 트리를 만든다.

 

 

 

 

 

3단계: Semantic Analyzer — 의미 분석기

입력: Syntax Tree (구문 트리)
출력: Annotated Syntax Tree (주석이 달린 구문 트리 = AST)

 

역할

• 변수의 타입 검사(type checking), 형 변환(type conversion), 의미적 오류 탐지 수행한다. 
•  rate * 60 에서  rate가 float인데 60이 int라면? 
  • inttofloat(60)으로 자동 형변환(inserted cast)

 

4단계: Intermediate Code Generator — 중간 코드 생성기

입력: AST
출력: IR (Intermediate Representation, 중간 코드)

 

역할

• 기계어에 가까운 중간 형태로 변환한다.  
• 이 IR은 최적화나 실제 코드 생성의 기반이 된다.

t1 = inttofloat(60)    ; 상수 60을 float으로 변환
t2 = id3 * t1          ; rate * 60.0
t3 = id2 + t2          ; initial + (rate * 60)
id1 = t3               ; position = 결과 저장

 

 

 

컴파일러의 컴포넌트 - Back-end

 

 

 

5단계: Code Optimizer — 코드 최적화기

입력: IR
출력: 최적화된 IR (더 효율적인 형태)

 

역할

• 불필요한 중간 변수 제거, 중복 계산 최소화 등 수행한다.
• inttofloat(60)이 여러 번 등장하면 한 번만 계산하도록 최적화 가능하다. 

 

6단계: Code Generator — 코드 생성기

 

입력 : 최적화된 중간 코드 (Optimized IR)

출력: 타깃 머신 코드 (Target Machine Code) → 실제 CPU 명령어(어셈블리 수준)

 

역할

• 중간 코드(IR)를 실제 하드웨어가 이해할 수 있는 명령어 형태로 변환한다. 
• 각 명령에 대응하는 레지스터와 명령어를 선택한다. 
• 변수의 주소 계산(address computation) 및 레지스터 할당 수행한다.
• CPU 아키텍처(예: Intel, ARM 등)에 맞는 기계 명령어로 변환한다.