28｜컴파일러 세부 과정·어휘·구문·의미 분석·코드 생성

고급 언어로 작성된 소스 코드는 CPU가 곧바로 실행할 수 있는 기계 명령이 아닙니다. 컴파일러는 문자로 된 소스 코드를 토큰과 문법 구조로 분석하고, 프로그램의 의미가 올바른지 검사한 뒤 중간 표현과 목적 코드를 생성합니다.

이 장에서는 컴파일러 세부 과정을 전처리·어휘 분석·구문 분석·의미 분석·중간 코드 생성·코드 최적화·코드 생성으로 구분합니다. 또한 하향식·상향식 파싱의 차이, 파스 트리와 추상 구문 트리, 심벌 테이블, 링크와 실행 코드 생성, 디버깅까지 시험에 필요한 기준으로 연결합니다.

컴파일러 세부 과정은 어떻게 구성되는가?

컴파일러는 일반적으로 프런트엔드에서 소스 언어를 분석하고, 중간 표현을 생성한 뒤, 최적화와 백엔드 코드 생성을 통해 타깃 기계용 코드를 만듭니다. 전처리와 링크는 전체 빌드 흐름에는 포함되지만 엄밀하게는 컴파일러 핵심 분석 단계와 별도의 도구가 담당할 수 있습니다.

전처리기는 컴파일 전에 무엇을 처리하는가?

전처리기(Preprocessor, 선행 처리)는 컴파일러의 어휘·구문 분석이 시작되기 전에 소스 텍스트를 확장하거나 선택합니다. C 계열 언어에서는 파일 포함, 매크로 치환, 조건부 컴파일이 대표적입니다.

전처리기는 원시 프로그램을 기계어 목적 프로그램으로 번역하지 않습니다. 파일 포함, 매크로 확장, 조건부 컴파일 등의 사전 처리를 수행하여 컴파일러가 분석할 확장된 원시 코드를 생성합니다.

#include <stdio.h>
#define MAX_COUNT 100

#if MAX_COUNT >= 100
const char *mode = "large";
#else
const char *mode = "small";
#endif

어휘 분석은 소스 코드를 어떻게 토큰으로 나누는가?

어휘 분석(Lexical Analysis)은 소스 프로그램의 문자 흐름을 읽고 문법적으로 의미 있는 최소 단위인 토큰(Token)으로 분류하는 단계입니다. 어휘 분석기는 스캐너(Scanner) 또는 렉서(Lexer)라고도 하며, 인식한 토큰을 구문 분석기에 전달합니다.

int total = price * count + 100;

구문 분석기는 토큰을 어떻게 문장 구조로 만드는가?

구문 분석(Syntax Analysis)은 토큰의 순서가 언어의 문맥 자유 문법에 맞는지 검사하고 계층적인 문장 구조(ex. 파스 트리)를 만드는 단계입니다. 이 작업을 파싱(Parsing)이라고 하며, 구문 분석기 또는 파서(Parser)가 수행합니다.

<대입문> ::= id "=" <표현식> ";"
<표현식> ::= <표현식> "+" <항> | <항>
<항> ::= id | number

이 문법에서 id = id + number;는 대입문 규칙과 표현식 규칙에 따라 유도할 수 있으므로 구문상 올바른 문장입니다. 반면 id = + number;는 덧셈 연산자 앞에 필요한 표현식이 없으므로 구문 오류입니다.

하향식 파싱과 상향식 파싱은 무엇이 다른가?

<대입문>
⇒ id = <표현식> ;
⇒ id = <표현식> + <항> ;
⇒ id = <항> + <항> ;
⇒ id = id + <항> ;
⇒ id = id + number ;

id = id + number ;
          number → <항>
     id → <항> → <표현식>
<표현식> + <항> → <표현식>
id = <표현식> ; → <대입문>

파스 트리와 추상 구문 트리는 어떻게 다른가?

트리는 하나의 루트 노드에서 하위 노드가 계층적으로 연결되는 비선형 자료 구조입니다. 컴파일러는 문법 전체의 유도 관계를 나타낼 때 파스 트리를 사용하고, 이후 분석과 변환에는 불필요한 노드를 줄인 추상 구문 트리를 주로 사용합니다.

의미 분석은 어떤 오류를 검사하는가?

의미 분석(Semantic Analysis)은 파서가 생성한 구문 트리와 심벌 테이블을 이용하여 자료형, 선언, 범위, 함수 호출, 연산의 적합성을 검사하는 단계입니다. 의미 분석을 통과한 트리는 다음 단계인 중간 코드 생성 단계로 전달됩니다.

int count = 10;
count = "ten";   // 구문은 만들 수 있지만 자료형 규칙에 어긋나는 의미 오류

심벌 테이블과 중간 코드는 왜 필요한가?

심벌 테이블(Symbol Table)은 소스 코드의 식별자 정보를 저장하는 자료 구조이며 어휘 분석부터 의미 분석·코드 생성까지 여러 단계가 함께 사용합니다. 의미 분석을 통과한 프로그램은 최적화와 타깃 코드 생성을 쉽게 하기 위해 중간 표현(Intermediate Representation, IR)으로 변환됩니다.

원시 식: total = price * count + 100

3주소 형식의 중간 코드 예:
t1 = price * count
t2 = t1 + 100
total = t2

코드 최적화는 프로그램을 어떻게 개선하는가?

코드 최적화(Code Optimization)는 프로그램의 관찰 가능한 의미를 바꾸지 않으면서 실행 시간, 코드 크기, 기억장치 사용량 또는 전력 사용을 개선하는 단계입니다. 모든 지표를 동시에 개선하는 것은 아니며 최적화 목표와 타깃 환경에 따라 결과가 달라집니다.

코드 생성은 목적 코드를 어떻게 만드는가?

코드 생성(Code Generation)은 중간 표현을 타깃 명령어 집합에 맞는 어셈블리 또는 기계 코드로 변환하는 단계입니다. 백엔드는 명령 선택, 레지스터 할당, 명령 스케줄링과 주소 지정 방식을 결정합니다.

디버깅은 어떤 오류를 찾는 과정인가?

디버깅(Debugging)은 프로그램의 결함을 재현하고 원인을 추적하여 수정하는 과정입니다. 디버거(Debugger)는 중단점, 단계 실행, 변수·메모리·호출 스택 관찰 등의 기능으로 실행 중인 프로그램 내부 상태를 확인하게 합니다.

시험에서 자주 혼동되는 개념

이번 장 핵심 요약

1. 컴파일러 세부 과정은 어휘 분석·구문 분석·의미 분석·중간 코드 생성·코드 최적화·코드 생성으로 이어집니다.
2. 전처리는 매크로 확장·파일 포함·조건부 컴파일 등을 본격적인 분석 전에 수행합니다.
3. 어휘 분석기는 문자 흐름을 토큰으로 분류하여 파서에 전달합니다.
4. 렉심은 소스에 실제로 나타난 문자열이고 토큰은 그 문자열의 문법적 종류입니다.
5. 구문 분석기는 토큰이 문맥 자유 문법에 맞는지 검사하고 트리를 만듭니다.
6. 하향식 파싱은 시작 기호에서 입력을 향해 좌단 유도합니다.
7. 전통적인 예측 파서는 좌재귀 제거가 필요하며 좌인수분해가 필요할 수 있습니다.
8. 상향식 파싱은 입력에서 시작 기호를 향해 Shift와 Reduce를 수행합니다.
9. 상향식 파싱은 우단 유도의 역과 연결됩니다.
10. 재귀 하강·예측·LL 파서는 하향식이고 Shift-Reduce·LR 파서는 상향식입니다.
11. 파스 트리는 문법 구조를 자세히 보존하고 AST는 핵심 계산 구조를 단순화합니다.
12. 의미 분석은 자료형·선언·범위·함수 호출·연산 적합성을 검사합니다.
13. 매크로 처리는 의미 분석이 아니라 전처리 기능으로 구분합니다.
14. 심벌 테이블은 식별자의 이름·종류·자료형·범위 등의 정보를 저장합니다.
15. 중간 표현은 기계 독립적인 형태로 최적화와 코드 생성을 연결합니다.
16. 코드 최적화는 프로그램의 의미를 보존하면서 성능이나 코드 크기를 개선합니다.
17. 코드 생성은 IR을 타깃의 어셈블리·기계 코드로 변환합니다.
18. 링커는 여러 목적 파일과 라이브러리를 결합하여 실행 파일을 만듭니다.
19. 디버거는 중단점·단계 실행·상태 관찰을 통해 런타임 오류와 논리 오류를 추적합니다.

복습 문제