Geração de Código Final e o Processo de Linkagem

Esta lição detalha a Seleção de Instruções, a fase crucial do back end de um compilador que mapeia a Representação Intermediária (IR) abstrata do programa para as instruções concretas da máquina alvo. A lição explica como o compilador, usando informações da Tabela de Símbolos e da Descrição da Máquina Alvo, escolhe as instruções mais eficientes para manipular diferentes tipos e tamanhos de dados. Aborda o Pareamento de Padrões em Árvore como a técnica principal para encontrar a sequência de instruções de menor custo e a Otimização Peephole para refinamentos locais. O resultado é uma sequência de instruções da máquina que, embora ainda utilize registradores virtuais, está otimizada e pronta para as próximas fases de Ordenação e Alocação de Registradores.

Esta lição descreve a Ordenação de Instruções (ou Agendamento), a segunda fase principal da Geração de Código em um compilador, que otimiza a sequência de instruções selecionadas para maximizar o Paralelismo em Nível de Instrução (ILP) e minimizar stalls ou "bolhas" no pipeline da CPU. A lição explora o Grafo de Dependência de Dados (DDG) como ferramenta para analisar dependências e identificar o caminho crítico. Detalha o Agendamento de Lista como a técnica heurística dominante para ordenar instruções em blocos básicos, e o Software Pipelining para otimização de laços, que sobrepõe iterações para um desempenho contínuo. Conclui que esta fase produz uma sequência otimizada, ainda com registradores virtuais, que servirá de entrada para a Alocação de Registradores.

Esta lição detalha a Alocação de Registradores, a fase final e crucial do back end de um compilador, responsável por mapear o número infinito de registradores virtuais para o conjunto finito de registradores físicos da CPU. A lição explica o processo passo a passo, começando com a Análise de Vivacidade para definir os live ranges (intervalos de vida dos valores) e a construção do Grafo de Interferência para modelar conflitos. Em seguida, a lição mergulha na principal técnica de resolução, a Coloração de Grafos, demonstrando com exemplos práticos como o algoritmo de Chaitin/Briggs funciona em cenários de sucesso e como ele lida com falhas através do spilling (derramamento de valores para a memória), garantindo que um executável funcional seja sempre gerado.

Esta lição explora como o compilador gerencia a memória de um programa, focando em duas estratégias principais de alocação. Primeiro, detalha a alocação de pilha (stack) para chamadas de função, explicando a anatomia de um Stack Frame (ou Registro de Ativação), o papel dos registradores %rsp e %rbp, e como o compilador calcula offsets fixos para acessar variáveis locais. Em seguida, a lição contrasta isso com a alocação estática, descrevendo como variáveis globais e estáticas são armazenadas nas seções .data (para dados inicializados) e .bss (para dados não inicializados ou zerados), destacando o papel do linker na combinação dessas seções e na atribuição de seus endereços de memória finais.

Esta lição detalha o Prólogo e o Epílogo de uma função, sequências de instruções essenciais em Assembly que gerenciam o Stack Frame durante uma chamada de função. O Prólogo é a fase de configuração, onde o estado do chamador é preservado (push %rbp), um novo frame é estabelecido (mov %rsp, %rbp), e espaço é alocado para variáveis locais (sub %rsp). Em contrapartida, o Epílogo é a fase de limpeza, que desfaz essas ações: o valor de retorno é preparado, o stack frame é desalocado (com leave ou pop %rbp), e o controle é devolvido ao chamador (ret). A lição também aborda a convenção de salvamento de registradores (callee-saved) e ilustra todo o processo com um exemplo prático de código C traduzido para Assembly x86-64, demonstrando como a pilha de chamadas é construída e desconstruída de forma segura.

Esta lição detalha a Emissão de Código, a fase final do back end do compilador, onde a sequência de instruções de máquina, já otimizada e com registradores alocados, é traduzida para um formato de arquivo externo. A lição explora os dois caminhos principais: a geração de código Assembly (.s), uma representação textual que é então processada por um montador, e a emissão direta de código objeto binário (.o), a abordagem mais eficiente adotada por compiladores modernos como o LLVM. Além disso, a lição disseca a anatomia de um arquivo objeto, explicando suas seções cruciais — como .text, .data, a Tabela de Símbolos e, fundamentalmente, as Entradas de Realocação — que permitem que o código seja modular e preparado para a fase de ligação (linking).

Esta lição detalha a Resolução de Símbolos, o primeiro e crucial passo do linker para criar um executável. Ela explica como o linker atua como um "detetive", conectando referências de código e dados espalhadas por múltiplos arquivos objeto e bibliotecas. Aborda a necessidade de unicidade, a distinção entre símbolos fortes e fracos para resolver conflitos, o papel das tabelas de símbolos e o algoritmo de varredura usado com bibliotecas estáticas. A lição conclui que, ao final deste processo, cada símbolo tem uma única definição, preparando o caminho para a fase de Realocação, onde os endereços de memória finais serão atribuídos.

Esta lição explica a Realocação de Endereços, a fase essencial em que o linker transforma o código de máquina "provisório" em um executável funcional. Detalha como o linker utiliza as seções agrupadas, a tabela de símbolos final e as entradas de realocação para "remendar" referências no código e nos dados. A lição explora os cálculos por trás dos remendos absolutos (para ponteiros) e relativos ao PC (para chamadas de função), garantindo que todas as referências simbólicas sejam substituídas por endereços de memória virtuais corretos. Conclui com o resultado final: um arquivo binário semanticamente completo, pronto para ser carregado e executado pelo sistema operacional.