El compilador convierte un programa en un lenguaje de alto nivel a otro de bajo nivel (generalmente código máquina).
El proceso se divide en fases bien definidas:
La primera fase del proceso de compilación es el análisis léxico. En esta etapa, el compilador lee el código fuente carácter por carácter y agrupa dichos caracteres en unidades reconocibles llamadas tokens, que son las palabras o símbolos básicos del lenguaje de programación. Estos tokens pueden ser palabras reservadas, identificadores, constantes, operadores, signos de puntuación, entre otros.
El analizador léxico también se encarga de eliminar los elementos que no son relevantes para el proceso posterior, como los espacios en blanco y los comentarios. Cada token tiene dos componentes: su tipo y su valor o lexema.
Ejemplo:
x = x + y - 3;
→ Tokens: x, =, x, +, y, -, 3, ;
En la segunda fase, denominada análisis sintáctico, el compilador toma como entrada los tokens generados por el analizador léxico y verifica que su disposición siga las reglas gramaticales del lenguaje. Este proceso lo realiza el analizador sintáctico o parser, que construye una estructura jerárquica conocida como árbol sintáctico, la cual representa la organización lógica del programa.
El objetivo principal es asegurar que la secuencia de tokens forme expresiones válidas y que la sintaxis del programa sea correcta. Si se detecta un error, el compilador genera mensajes que indican el tipo y la ubicación del problema. En caso contrario, produce un árbol sintáctico que servirá de base para las siguientes fases.
Ejemplo: Determinar si en x = x * y - 2 la multiplicación se realiza antes que la resta.
La fase de análisis semántico toma el árbol sintáctico producido anteriormente y realiza comprobaciones para garantizar que el código tenga sentido lógico y semántico. Aquí el compilador revisa que los operadores trabajen con tipos de datos compatibles, que las operaciones y asignaciones sean válidas, y que las llamadas a funciones tengan el número y tipo de parámetros correctos. También se asegura de que las variables hayan sido declaradas antes de su uso.
En esta fase se generan los mensajes de error semántico, en caso de que existan incongruencias. El resultado final es un árbol semántico teórico, que refleja tanto la estructura como el significado del programa, y prepara el terreno para la generación de código.
En la cuarta fase se realiza la generación de código intermedio (CI). El propósito de esta etapa es transformar el árbol semántico en una representación más sencilla y cercana a la máquina, pero aún independiente de la arquitectura del hardware. Este código intermedio utiliza un conjunto reducido de instrucciones, normalmente expresadas en código de tres direcciones, que consiste en una operación con dos operandos y un resultado. Por ejemplo, para la sentencia x = x + 1, el código intermedio podría representarse como:
CARGAR x null R1
CARGAR 1 null R2
SUMAR R1 R2 R3
CARGAR R3 null x
Este tipo de representación facilita la portabilidad del compilador, ya que permite generar código para diferentes máquinas sin rehacer todas las fases anteriores. También posibilita desarrollar compiladores de distintos lenguajes que produzcan un mismo tipo de código intermedio.
La generación de código final es una fase más mecánica, en la que el compilador traduce el código intermedio al lenguaje máquina o ensamblador de la arquitectura destino. Cada instrucción del código intermedio se convierte en una instrucción real que el procesador puede ejecutar. En este punto también se tiene en cuenta la eficiencia del uso de los recursos del sistema, como los registros y la memoria, procurando minimizar su consumo.
En los compiladores modernos, esta fase suele ser automatizada por programas ensambladores que transforman el código generado en archivos ejecutables listos para ser enlazados y ejecutados.
La optimización toma el código intermedio y lo transforma para mejorar eficiencia (tiempo de ejecución, uso de memoria o de registros) sin cambiar el comportamiento observable del programa. Las optimizaciones incluyen eliminación de cálculos redundantes, propagación de constantes, eliminación de código muerto, reordenación de instrucciones para mejor uso de registros, y reutilización de temporales, entre otras. El objetivo es reducir instrucciones y recursos necesarios antes de generar el código final, y esta fase puede realizarse en varios niveles (local, global, entre funciones).
Incluimos las siguientes secciones aunque no constituye una fase propiamente del proceso de compilación, ya que representa una parte fundamental e indispensable de todo el procedimiento.
Tablas de símbolos y de tipos
Aunque no constituye una fase de compilación propiamente dicha, el manejo de tablas de símbolos y de tipos es fundamental en todo el proceso. Estas tablas son estructuras de datos que almacenan información sobre las variables, funciones, procedimientos, tipos de datos y otros elementos del programa. El compilador consulta y actualiza estas tablas constantemente durante las distintas fases, por lo que deben estar optimizadas para garantizar un acceso rápido y eficiente. En ellas se registra información como el nombre, tipo, ámbito, dirección de memoria y valor de cada identificador.
Finalmente, el manejo de errores es una parte esencial del proceso de compilación, ya que permite informar al programador sobre los errores detectados y su ubicación en el código fuente. Los errores pueden ser léxicos, sintácticos o semánticos, dependiendo de la fase en la que se produzcan. Un buen compilador debe ser capaz de detectar el mayor número de errores posibles sin detener el proceso de compilación al encontrar el primero, para que el programador reciba un reporte completo. No todos los errores pueden detectarse en tiempo de compilación; algunos se manifestarán solo durante la ejecución del programa.