blog-static/content/blog/00_compiler_intro.ru.md

title	date	tags	description
Пишем Компилятор Для Функционального Языка на С++, Часть 0 - Вступление	2019-08-03T01:02:30-07:00	C and C++ Functional Languages Compilers	todo

Год назад, я был записан на курс по компиляторам. Я ждал этого момента почти два учебных года: еще со времени школы меня интересовало создание языков программирования. Однако я был разочарован - заданный нам финальный проект полностью состоял из склеивания вместе написанных профессором кусочков кода. Склеив себе такой грустный компилятор, я не почувствовал бы никакой гордости. А я хотел бы гордиться всеми своими проектами.

Вместо стандартного задания, я решил -- с разрешением профессора -- написать компилятор для ленивого функционального языка, используя отличную книгу Саймона Пейтона Джоунса, Implementing functional languages: a tutorial. На курсе мы пользовались С++, и мой проект не был исключением. Получился прикольный маленький язык, и теперь я хочу рассказать вам, как вы тоже можете создать ваш собственный функциональный язык.

Примечание к Русской Версии

Вы читаете русскою версию этой статьи. Оригинал ее был написан год назад, и с тех пор объем всей серии немного изменился. Я планировал описать только те части компилятора, которые я успел закончить и сдать профессору: лексический анализ, синтаксический разбор, мономорфную проверку типов, и компиляцию простых выражений с помощью LLVM. Закончив и описав все эти части, я решил продолжать разрабатывать компилятор, и описал сборку мусора, полиморфную проверку типов, полиморфные структуры данных, а также компиляцию более сложных выражений. Вместо того чтобы писать наивный перевод английской версии -- притворяясь что я не знаю о перемене моих планов -- я буду вносить в эту версию изменения соответствующие сегодняшнему состоянию компилятора. Части статей не затронутые этими изменениями я тоже не буду переводить слово в слово, иначе они будут звучать ненатурально. Тем не менее техническое содержание каждой статьи будет аналогично содержанию ее английской версии, и код будет тот же самый.

Мотивация

Начать эту серию меня подтолкнули две причины.

Во-первых, почти все учебники и вступления к созданию компиляторов, с которыми я сталкивался, были написаны об императивных языках, часто похожих на C, C++, Python, или JavaScript. Я считаю, что в компиляции функциональных языков -- особенно ленивых -- есть много чего интересного, и все это относительно редко упоминается.

Во-вторых, меня вдохновили книги, как Software Foundations. Все содержание Software Foundations, например, написано в форме комментариев языка Coq. Таким образом, можно не только читать саму книгу, но и сразу же запускать находящийся рядом с комментариями код. Когда описываемый код под рукой, легче экспериментировать и интереснее читать. Принимая это во внимание, я выкладываю вместе с каждой статьей соответствующую версию компилятора; в самой статье описывается код именно из этой версии. Все части написанной мною программы полностью доступны.

Обзор

Прежде чем начинать наш проект, давайте обсудим, чего мы будем добиваться, и какими способами.

“Классические” Стадии Компилятора

Части большинства компиляторов достаточно независимы друг от друга (по крайней мере в теории). Мы можем разделить их на следующие шаги:

• Лексический анализ
• Синтаксический разбор
• Анализ и оптимизация
• Генерация кода

Не все вышеописанные шаги встречаются в каждом компиляторе. Например, компилятор в моих статьях совсем не оптимизирует код. Также, в некоторых компиляторах присутствуют шаги не упомянутые в этом списке. Язык Idris -- как и многие другие функциональные языки -- переводится сначала в упрощённый язык “TT”, и только после этого проходит через анализ. Иногда, с целью ускорить компиляцию, несколько шагов производятся одновременно. В целом, все эти стадии помогут нам сориентироваться, но никаким образом нас не ограничат.

Темы, Которые Мы Рассмотрим

Мы начнем с нуля, и пошагово построим компилятор состоящий из следующих частей:

• Лексического анализа с помощью программы Flex.
• Синтаксического разбора с помощью программы Bison.
• Сначала мономорфной, а позже полиморфной проверки типов.
• Вычисления программ используя абстрактную машину G-machine.
• Компиляции абстрактных инструкций G-machine используя LLVM.
• Простого сбора мусора.

Наша цель - создать ленивый, функциональный язык.

Темы, Которые Мы Не Рассмотрим

Для того, чтобы создать любую нетривиальную программу, нужно иметь значительный объем опыта и знаний; одному человеку было бы сложно научить всему этому. У меня буквально не хватило бы на это времени, да и исход такой попытки был бы неблагоприятным: опытным читателям было бы труднее извлечь из статей новую информацию, а неопытным читателям все равно было бы недостаточно подробно. Вместо того, чтобы портить таким образом свои статьи, я буду полагаться на то, что вы достаточно комфортно себя чувствуете с некоторыми темами. В число этих тем входят:

• Теория вычислений, более конкретно теория автоматов. Детерминированные и недетерминированные автоматы кратко упоминаются в первой статье во время лексического анализа, a синтаксический разбор мы выполним используя контекстно-свободную грамматику.
• Функциональное программирование, с легкой примесью лямбда-исчисления. Мы будем пользоваться лямбда-функциями, каррированием, и системой типов Хиндли-Мильнер, которая часто встречается в языках семейства ML.
• С++. Я стараюсь писать код правильно и по последним стандартам, но я не эксперт. Я не буду объяснять синтаксис или правила С++, но разумеется буду описывать что именно делает мой код с точки зрения компиляторов.

Синтаксис Нашего Языка

Саймон Пейтон Джоунс, в одном из своих двух многочисленных трудов на тему функциональных языков, отметил что большинство из этих языков по сути очень похожи друг на друга; часто, главная разница состоит именно в их синтаксисе. На данный момент, выбор синтаксиса - наша главная степень свободы. Нам точно нужно предоставить доступ к следующим ???:

• Декларациям функций
• Вызову функций
• Арифметике
• Aлгебраическим типам данных
• Сопоставлению с образцом

Позже, мы добавим к этому списку выражения let/in и лямбда-функции. С арифметикой разобраться не сложно - числа будут писаться просто как 3, значения выражений как 1+2*3 будут высчитываться по обычным математическим правилам. Вызов функций ненамного сложнее. Выражение f x будет значить “вызов функции f с параметром x”, а f x + g y - “сумма значений f x и g y”. Заметьте, что вызов функций имеет приоритет выше приоритета арифметических операций.

Теперь давайте придумаем синтаксис для деклараций функций. Я предлогаю следующий вариант: