Давайте создадим компилятор! - Джек Креншоу

Все это будет рассмотрено в будущих главах. Когда мы закончим, вы будете иметь все инструменты, необходимые для разработки и создания своего собственного языка и компиляторов для его трансляции.

Я не могу спроектировать эти языки для вас, но я могу дать некоторые комментарии и рекомендации. Я уже высказал некоторые из них в прошлых главах. Вы видели, например, какие управляющие структуры я предпочитаю.

Эти конструкции будут частью создаваемых мной языков. К этому моменту я представляю три языка, два из которых вы увидите в очередных главах:

TINY – минимальный, но пригодный для использования язык уровня Tiny Basic или Tiny C. Он не будет очень практичным, но будет достаточно мощным, чтобы позволить вам писать и запускать настоящие программы которые делают что-нибудь заслуживающее внимание.

KISS – язык, который я создаю для своего собственного использования. KISS предназначен быть языком системного программирования. Он не будет иметь строгого контроля типов или причудливых структур данных, но он будет поддерживать большинство вещей, которые я хочу делать с языком более высокого уровня (HOL), за исключением возможно написания компиляторов.

Я также играл в течение нескольких лет с идеей HOL-подобного ассемблера со структурными управляющими конструкциями и HOL-подобными операциями присваивания. Это фактически было стимулом для моего первоначального углубления в джунгли теории компиляции. Этот язык возможно никогда не будет создан просто потому, что я узнал, что проще реализовать язык типа KISS, который использует только подмножество инструкций ЦПУ. Как вы знаете, ассемблер может быть предельно причудливым и нерегулярным, и язык, который отображается в него один к одному, может быть настоящим вызовом. Однако я всегда чувствовал, что синтаксис, используемый в стандартных ассемблерах тупой... почему

MOVE.L A,B

лучше или проще для трансляции, чем

B=A?

Я думаю, было бы интересным упражнением разработка «компилятора» который дал бы программисту полный доступ и к контролю над полным набором инструкций ЦПУ, и позволил бы вам генерировать программы настолько же эффективные как язык ассемблер без болезненного изучения набора мнемоник. Это может быть сделано? Я не знаю. Настоящим вопросом может быть вопрос «будет ли полученный язык проще, чем ассемблер?» Если нет, то в нем нет никакого смысла. Я думаю, что это может быть сделано, но я полностью еще не уверен в том, как должен выглядеть синтаксис.

Возможно у вас есть некоторые комментарии или предложения об этом. Буду рад услышать их.

Вы возможно не будете удивлены узнав, что уже работал в большинстве тех областей, которые мы рассмотрим. Я имею несколько хороших новостей: дела никогда не будут намного более сложными, чем они были до этого. Возможно построить завершенный, работающий компилятор для реального языка используя только те самые методы которые вы изучили до этого. И это поднимет некоторые интересные вопросы.

Почему это так просто? 

Перед осуществлением этой серии я всегда думал, что компиляторы были просто естественно сложными компьютерными программами... предельно вызывающими. Однако то, что мы здесь делали обычно оказывалось совершенно простым, иногда даже тривиальным.

Некоторое время я думал, что это было просто потому, что я еще не залез в глубь темы. Я только охватил простые части. Я легко признаюсь вам что даже когда я начинал эту серию я не был уверен в том, как далеко мы будем способны продвинуться прежде чем дела станут слишком сложными для работы имеющимися способами. Но сейчас я уже нахожусь достаточно близко, чтобы увидеть конец пути. Какой вывод?

Здесь нет ничего сложного!

Затем я думал, что причина в том, что мы не генерировали очень хороший объектный код. Те из вас, кто следовали этой серии и пытались компилировать примеры, знают, что хотя код работает и достаточно отказоустойчив, его эффективность довольно ужасна. Я подчеркивал, что если бы мы сконцентрировались на получении компактного кода, то быстро бы получили всю недостающую сложность.

В какой то степени это так. В частности, мои первые небольшие усилия при попытке повысить эффективность подняли сложность до опасного уровня. Но с той поры когда я возился с некоторыми простыми методами оптимизацией и обнаружил некоторые, которые приводят к очень приличному качеству кода без добавления больших сложностей.

Наконец я подумал, что возможно причина была в «игрушечной» природе компилятора Я не претендовал на то, что мы когда-нибудь будем способны построить компилятор, конкурирующий с Borland и Microsoft. И однако снова, когда я забираюсь глубже в эти дела различия начинают стираться.

Просто чтобы удостовериться что до вас дошла эта мысль, позвольте мне ее высказать напрямую:

Используя методы, которые мы здесь применяли, возможно создать работающий, промышленного качества компилятор не добавляя много сложности к тому, что мы уже сделали.

С тех пор, как началась эта серия, я получил от вас некоторые комментарии. Большинство из них повторяют мои собственные мысли: «Это просто! Почему учебники представляют это настолько сложным?» Хороший вопрос.

Недавно я возвратился и взглянул на некоторые из этих текстов снова и даже купил и читаю некоторые новые. Каждый раз я возвращался с тем же чувством: эти ребята представляют это слишком сложным.

Что происходит? Почему все это кажется сложным в этих книгах, но легким для нас? Действительно ли мы умней чем Ахо, Ульман, Бринч Хансен и все остальные?

Едва ли. Но мы делаем некоторые вещи по-другому и все более и более я начинаю ценить значение нашего подхода и способ, которым он упрощает дело. Кроме очевидных сокращений, которые я выделил в первой части, типа односимвольных токенов и консольного ввода/вывода, мы сделали некоторые неявные предположения и сделали некоторые вещи отличными от того, как разрабатывали компиляторы в прошлом. Как оказалось, наш метод делает жизнь намного проще.

Но почемы все другие ребята не используют его?

Вы должны вспомнить контекст некоторых ранних разработок компиляторов. Эти люди работали на очень небольших компьютерах с ограниченными возможностями. Объемы памяти были очень ограничены, набор команд центрального процессора был минимален и программы чаще выполнялись в пакетном режиме, чем в интерактивном. Как оказалось, это повлияло на некоторые ключевые решения проекта, которые действительно усложнили проект. До недавнего времени я не понимал, насколько классический дизайн компилятора был обусловлен доступным оборудованием.

Даже в тех случаях, где эти ограничения больше не накладывались, люди предпочитали структурировать их программы тем же самым образом, так как это способ, которому они обучались.

В нашем случае мы начали с чистого листа бумаги. Имеется опасность, конечно, что вы попадетесь в ловушки, которые другие люди давно научились избегать. Но это также позволило нам использовать различные подходы, которые, частично из-за проекта, частично из-за чистой удачи, позволили нам добиться простоты.

Имеются области, которые, я думаю, в прошлом приводили к сложности:

Ограниченная оперативная память, вынуждающая выполнять множество проходов.

Я только что прочитал «Brinch Hansen on Pascal Compilers» (отличная книга, BTW). Он разработал компилятор Pascal для PC, но он начал в 1981 г. с систем с 64К памяти и поэтому почти каждое решение проекта который он делал, было нацелено на то, чтобы уместить компилятор в ОЗУ. Чтобы сделать это, его компилятор выполнял три прохода, один из которых – лексический анализ. Не было никакого способа, с помощью которого он мог бы, например, использовать распределенный сканер, который я представил в последней главе, потому что структура программы не позволяла этого. Ему также требовались не один а два промежуточных языка для обеспечения связи между фазами.

Все ранние создатели компиляторов были вынуждены иметь дело с такой проблемой: разбить компилятор на достаточные части так, чтобы они поместились в памяти. Когда у вас есть множество проходов, вы должны добавить структуры данных для поддержки информации которую каждый проход оставляет для следующего. Это добавляет сложность и завершает управление проектом. В книге Ли «The Anatomy of a Compiler» упоминается компилятор Fortran, разработанный для IBM 1401. Он имел не менее 63 отдельных проходов! Само собой разумеется, в компиляторе, подобном этому, разделение на фазы доминировало бы над дизайном.

Даже в ситуации, когда ОЗУ достаточно, люди предпочитали использовать те же самые методы, с которыми они хорошо знакомы. До тех пор, пока не появился Turbo Pascal, мы не знали насколько может быть простым компилятор если бы вы начали с других предположений.

Пакетная обработка.

В ранние дни пакетная обработка была единственным выбором... не существовало никаких интерактивных вычислений. Даже сегодня компиляторы по существу выполняются в пакетном режиме.