Compiler

Ein Compiler (in deutsch auch Kompilierer) dient dazu, eine Quellsprache in eine Zielsprache zu übersetzen. In den meisten Fällen wird Quelltext einer höheren Programmiersprache in Maschinensprache übersetzt. Ein kompiliertes Computerprogramm kann nicht mehr ohne Weiteres manipuliert und bearbeitet werden.

Ein Compiler arbeitet normalerweise auf dem System, auf dem auch das zur übersetzende Programm laufen soll. Läuft er auf einem anderen System (übersetzt man z.B. einen Assembler-Quelltext mit einem auf einem PC laufenden Compiler in ein PRG, das für einen C64 gedacht ist), spricht man von einem Cross-Compiler.

Es gibt auch Decompiler, die aus einem Kompilat wieder Quelltext gewinnen sollen, allerdings ist deren Erfolg und die Qualität des rückgewonnenen Codes stark von den Informationen abhängig, die noch im Kompilat stecken. Zum Beispiel gehen beim Kompilieren oft die Bezeichner "verloren" und der Dekompiler muss sich dann irgendwelche eigenen Namen "ausdenken". Außerdem kann die Lizenz einer zu bearbeitenden Software verbieten, sie zu dekompilieren. So ein Verbot kann unter bestimmten Umständen allerdings auch unwirksam sein. Das deutsche Urheberrecht kennt beispielsweise Ausnahmen in §69e, wenn es um die Interoperabilität mit anderen Programmen geht.

BASIC-Compiler

Das im C64 eingebaute BASIC V2 lässt in vielerlei Hinsicht Optimierungspotenzial offen.

• Das Programm wird interpretiert. Das heißt, dass letztendlich gar nicht das BASIC-Programm selbst direkt auf der CPU läuft, sondern eine Art "Mittelmann" - der Interpreter - jeweils den nächsten BASIC-Befehl und seine Operanden liest, alle nötigen Daten zur Ausführung zusammensammelt und den Befehl dann ausführt. Das alles braucht Zeit und hat Effekte wie z.B. dass lange Variablennamen die Ausführung des Programms verlangsamen, da der Interpreter sie komplett lesen muss.
  • Selbst Zahlenkonstanten werden im Speicher nicht in direkt verwertbarer Form, sondern PETSCII-kodiert abgelegt. Das führt dazu, dass z.B. A=A+9999 etwas langsamer ist als A=A+1.
  • Variablen werden jeweils bei Bedarf gesucht. D.h. wird im Programm fünfmal direkt nacheinander A=A+1 ausgeführt, sucht der Interpreter insgesamt zehnmal in seinem Variablenindex (siehe Artikel Speicherbelegung) nach Variable A. Bei kompilierten Programmen taucht der Variablenname dagegen typischerweise gar nicht mehr auf, stattdessen wird im Code immer direkt auf einen Speicherbereich verwiesen: aus A=A+1 wird sinngemäß speicherzelle4711=speicherzelle4711+1.
  • Programmzeilen müssen ebenso bei Bedarf gesucht werden: Wird z.B. per GOTO 10000 zu Zeile 10000 gesprungen, geht der Interpreter das Programm im Speicher von vorne bis hinten durch, bis er Zeile 10000 findet.
  • IF springt in BASIC V2 bei nicht erfüllter Bedingung nicht etwa einfach zur nächsten Zeile, sondern überliest die nachfolgenden Befehle, was Zeit kostet. Das Gleiche gilt für REM. Kompilate überspringen den jeweilige Code einfach (oder lassen die Daten im Fall von REM einfach ganz weg).
  • Das Programm muss während der Ausführung auf Syntaxfehler geprüft werden. Kompilierter Code wurde bereits beim Kompilieren auf Syntaxfehler geprüft, entsprechend sind weitere Prüfungen während des Programmablaufs nicht nötig.
• Die CPU 6510 des C64 ist eine 8-Bit-CPU, aber BASIC kennt den einzigen "natürlichen" Datentypen der CPU - das Byte, also eine Ganzzahl zwischen 0 und 255 - nicht. Alle Operationen mit Zahlen werden per langsamen Fließkommaoperationen abgebildet, selbst wenn z.B. im ganzen BASIC-Programm ausschließlich Ganzzahlen von 0 bis 255 benutzt werden.
  • Es gibt Ganzzahlvariablen, die per % (wie A%) gekennzeichnet werden, aber arithmetische Operationen mit ihnen werden trotzdem mit den langsamen Fließkommaoperationen ausgeführt.
  • Auch der Platzbedarf ist dadurch größer als meist nötig: Jede Zahlenvariable braucht fünf Bytes (außer in Feldern), obwohl Ganzzahlen sich meist platzsparender speichern lassen.
  • Ein Beispiel: FOR I=0 TO 255:NEXT, also das ganzzahlige Durchzählen von 0 bis 255, braucht in BASIC etwa 0,4 Sekunden und 10 Bytes Platz für das Programm. Das vergleichbare Assembler (LDX #$00, loop: INX, BNE loop, 5 Bytes) braucht rund 1,3 Millisekunden, ist also rund 300mal so schnell. Der Fairness halber muss erwähnt werden, dass der Geschwindigkeitsvorteil abseits vom Datentyp Byte deutlich geringer ausfällt und compiler-generierter Maschinencode bei weitem nicht so optimiert wie handgeschriebener Code ist, sowohl was Geschwindigkeit als auch Platzbedarf angeht.
• Die Verwaltung von Strings ist nicht sonderlich geschickt umgesetzt. Werden Strings intensiv genutzt, wird u.U. eine langsame Garbage Collection durch den BASIC-Interpreter nötig.
• Der für Programm und Variablen nutzbare Bereich ist auf 38 kBytes begrenzt, obwohl eigentlich mehr RAM zur Verfügung steht.

BASIC-Compiler können ein BASIC-Programm in eine schnellere Form überführen, unter Umständen benötigt das Programm dann aber auch mehr Speicherplatz. Grundsätzlich kann das Programm dabei in eine Zwischensprache überführt werden (häufig P-Code genannt), die von einem weiteren Interpreter abgearbeitet wird, den der Compiler automatisch dem Ergebnisprogramm hinzufügt (passiert z.B. beim Blitz! Compiler). Alternativ kann das BASIC-Programm direkt in Maschinensprache (im Kontext auch M-Code genannt) überführt werden (z.B. BASIC-BOSS und MOSpeed). Einige Compiler wie z.B. der BASIC 64 Compiler unterstützen beide Varianten und können im Programm sogar umschalten. Typischerweise ist M-Code schneller und P-Code platzsparender: M-Code ist meist (deutlich) größer als das Ursprungsprogramm, P-Code unter Umständen sogar kleiner.

Das nach einer gewissen Menge von String-Operationen auftretende Problem der Garbage-Collection wird nach bisherigen Erkenntnissen nur durch den Basic-Boss und durch MOSpeed wirklich effektiv gelöst. Es können also durchaus auch im Kompilat früher oder später ähnlich gravierende Verzögerungen auftreten wie im BASIC-Sourcecode.

Weitere Einschränkungen finden sich in der nachfolgenden Übersicht.

Compiler	Compilierbare Dialekte	Besonderheiten
Basic 64 Compiler	BASIC V2 Supergrafik 64 und Supergrafik 64 Plus Simons' Basic ExBASIC Level II
Basic 128 Compiler	BASIC 7.0
Blitz! Compiler (Skyles Electrical Works)	BASIC V2, ?	Unterstützt mehrere Laufwerke. Erzeugt ein Protokoll-File "Z/...", das nach dem Laden und LIST-Befehl aufschlüsselt, welche neuen Pseudozeilennummern welchen alten Zeilennummern entsprechen, hilfreich für Fehlersuche, falls trotz erfolgreichem Kompilieren das Kompilat abstürzt. Kompilat ist relativ klein (nutzt P-Code). Der Compiler unterstützt Integer-Optimierungen. Es existiert eine Anleitung, die zwar recht oberflächlich ist, aber die Bedienung ist sehr unkompliziert. Der Compiler kann mehrere Dateien in einem Rutsch übersetzen, die dann zusammen als Overlays agieren und Variablen teilen können. Es existieren mit blitz 0.1 und Reblitz64 von PC-Kommandozeile nutzbare Versionen (Cross-Development).
Speedcompiler	BASIC V2, ?
Basic-Boss	BASIC V2, ?	Es existiert eine umfangreiche und detaillierte Anleitung. Vielfältige Befehle bieten enorm viele Einsatzmöglichkeiten, unter anderem flexible Speicherverwaltung, günstig für die Einbindung des Kompilats in ein Assembler-Programm. Der Compiler unterstützt Integer-Optimierungen. Beschleunigte Garbage-Collection. Bedingt durch die Komplexität müssen einige Restriktionen beim Erstellen des Ursprungscodes beachtet werden. Erzeugt ein relativ großes Kompilat. Sollte das Kompilieren ohne Fehlermeldung gelingen und das Kompilat dennoch abstürzen, lässt sich nicht ohne Weiteres zurückverfolgen, welche Zeile des Ursprungscodes Probleme bereitet.
Austro-Speed	BASIC V2, ?	Identisch mit Blitz!, Nachfolger von Austro-Comp.
Simon's	BASIC V2 Simons' Basic
Laser BASIC Compiler	BASIC V2 Laser Basic	Ein Kompilat mit Laser BASIC-Befehlen ist ohne Laden der Erweiterung lauffähig. Kompiliert trotz 3-Pass recht flott. Spezieller Integer-Modus, mit dem Programme ohne Fließkommazahlen schneller und kleiner werden. Unterstützt erweiterte Kontrollflussbefehle (ELSE, mehrzeilige Blöcke). LOAD aus dem Programm ist nicht möglich. Mäßige Ausführungsgeschwindigkeit des Kompilats (im Fließkommamodus).
Diabolo	BASIC V2 (nur Integer-Arithmetik)
PETSPEED 64	BASIC V2
PETSPEED 128	BASIC 7.0
MOSpeed	BASIC V2	Cross-Compiler, läuft nativ auf dem PC, erzeugt Code für den C64, den VC20, den X16, Javascript oder Powershell. Open Source Optimierender Compiler. Startadresse des Kompilats frei wählbar. Erzeugt echten Maschinencode. Schreibt auf Wunsch den erzeugten Assemblerquelltext mit raus. Erzeugt systembedingt ein relativ großes Kompilat (das aber über eine Compiler-Option zu Lasten der Geschwindigkeit verkleinert werden kann). Der Compiler kennt keinen expliziten Integer-Typ. Integer-Berechnungen lassen sich also nur sehr eingeschränkt beschleunigen.
DTL-Basic 64 Drive Technology Ltd.	BASIC V2	Auch als Kassettenversion verfügbar. Limitierung auf 12 KByte Sourcecode (zumindest bei der Kassettenversion).
super limited basic compiler (sl-basic)	Untermenge von BASIC V2 (nur Integer, nur eindimensionale Arrays etc.)	schnell (M-Code) Bringt eigene schnelle Version von PRINT Compiler startet komfortabel aus Steckmodul Kann BASIC- und KERNAL-ROM ausblenden Inkl. Quelltexten Sehr eingeschränkter Befehlssatz
Micro Compiler	Untermenge von BASIC V2	schnell (M-Code) sehr eingeschränkter Befehlssatz scheint häufig fehlerhaften Code zu erzeugen

Benchmarks

Aus u.a. einem Forum64-Beitrag von muffi. Zeiten in 60tel Sekunden, Benchmark-PRG siehe Link.
R: (Schleifen) mit Real-Variablen, I: (Schleifen) mit Integer-Variablen (%).
Die Größe des kompilierten Programms bezieht sich auf den gesamten Benchmark, differenziert also nicht zwischen Real und Integer.

Compiler	FOR/NEXT	Init IntArr	Init StrArr	Append StrArr	Cosinus	Init RealArr	Arr-Zugriff/IFs	DEF FN	GOSUB	PRINT	SYS49152,X,Y	Code-Größe (Blöcke)
(BASIC V2)	7452	305	274	485	1792	309	8475	4800	5776	2993	6147	13
Basic Boss (R)	6499	100	138	233	1682	127	3002	1426	1366	2585	2936	33
Basic Boss (I)	1645	18	62	108	1676	45	611	1465	1468	2548	3225	33
BASIC64 (P-Code, R)	7047	115	123	193	1691	124	2365	1513	1408	2723	5731	32
BASIC64 (P-Code, I)	1767	54	64	114	1657	63	1377	1814	1827	2680	5296	32
BASIC64 (M-Code, R)	6946	97	109	168	1677	107	1718	1416	1325	2702	5365	45
BASIC64 (M-Code, I)	1665	36	51	90	1642	47	723	1712	1739	2661	4953	45
Austro-Comp (R)	6472	114	125	213	1700	122	1642	1675	1647	2496	3395	24
Austro-Comp (I)	1911	64	76	150	1609	73	1761	1676	1518	2461	3849	24
Austro-Speed/Blitz (R)	6027	89	97	155	1680	96	1753	1539	1535	2464	3263 *1	32
Austro-Speed/Blitz (I)	1272	39	48	95	1647	47	1151	1532	1412	2428	3706 *1	32
SC (R)	6472	114	125	214	1699	122	2710	1675	1647	2495	3395	24
SC (I)	1911	64	76	150	1669	73	1761	1679	1521	2461	3837	24
Sauron (R)	6027	89	97	156	1680	97	1732	1538	1533	2465	3271	32
Sauron (I)	1271	40	48	95	1647	47	1141	1532	1412	2427	3713	32
Petspeed (R)	1580	38	44	76	1654	40	1149	1401	1333	2671	x	(90)
Petspeed (I)	1494	37	46	75	1654	39	1140	1477	1421	2668	x	(90)
Laser BASIC Compiler (R)	6448	161	154	287	1703	151	4626	1666	1620	2620	x	37
Laser BASIC Compiler (I)	1925	69	79	173	/ *2	68	1760	/ *2	/ *2	2586	x	29
DTL (R)	6355	124	128	225	1694	148	2893	1619	1592	2998	3560	11
DTL (I)	1666	52	57	123	1671	77	1434	1687	1551	2963	3968	11
MOSpeed (R)	6213	99	110	205	1667	108	2522	911	816	2687	x	78

*1: Inkorrekte Ausgabe (Leerzeichen fehlen). Reblitz64 hat dieses Problem nicht.
*2: Im Integer-Modus unterstützt der Laser BASIC Compiler keinerlei Fließkommaberechnungen.

Beobachtungen

• Praktisch alle Benchmarks profitieren stark von Integer-Optimierungen.
• M-Code ist insbesondere im Zusammenhang mit Integer-Operationen und Array-Zugriffen deutlich schneller als P-Code, bringt ansonsten aber wenig Gewinn.
• Auch kompilierter Code ruft z.B. für Cosinus und PRINT typischerweise die Originalroutinen des BASIC bzw. KERNALs auf. Als Vergleich: Wird der PRINT-Benchmark mit Crank the PRINT! optimiert, braucht er statt rund 42 Sekunden (2500 Sechzigstelsekunden) nur ca. 5,5 Sekunden, weil das langsame KERNAL-PRINT umgangen wird.

Übersicht zu Einschränkungen

Compiler	Explizite Integer-Unterstützung	P-Code/M-Code	DIM für einfache Variablen	Implizites DIM	alternative Garbage-Collection
Basic 64 Compiler		beides		Nachfrage
Basic 128 Compiler		beides		Nachfrage
Blitz! Compiler		P-Code		Nachfrage
Speedcompiler	?	?		Nachfrage
Basic-Boss		M-Code		implizit immer 11 (0-10)
Austro Speed		P-Code		Nachfrage
Simon's Austro Speed		P-Code		Nachfrage
Laser BASIC Compiler	?	?		Nachfrage
Diabolo	?	?		Nachfrage
PETSPEED 64	?	?		Nachfrage
PETSPEED 128	?	?		Nachfrage
MOSpeed		M-Code	(in Verwendung als Konstante)
DTL-Basic 64	?	?		Nachfrage

Weblinks

Wikipedia: Compiler

• Commodore Programmiersprachenliste
• Programmieren (C64-Online)
• commodore.software / Category: BASIC-Compilers
• 64'er 1994/8 S. 26: Konkurrenz für den Boss - Compiler-Vergleichstest (Scan auf archive.org)

Auswahl ursprünglich in BASIC geschriebener kompilierter Programme

• CSDb- Release Nr. 23516 Mafia (Spiel), austro-compiled
• CSDb- Release Nr. 95669 Mafia 1.31 (Spiel), blitz-compiled
• CSDb- Release Nr. 100821 Murder V1.2 (Spiel), blitz-compiled
• CSDb- Release Nr. 102382 Snake on a Plane V1.1 (Spiel), boss-compiled
• CSDb- Release Nr. 170070 Brush up your English, austro-compiled