🔧 Компилятор своими руками: краткий гид для начинающих

В этой статье мы разберем анатомию простейшего компилятора: лексер, парсер и LLVM. Вы узнаете, как эти компоненты взаимодействуют для преобразования исходного кода в исполняемый файл.

Компилятор обычно состоит из трех основных частей: фронтенда, оптимизатора и бэкенда.

Фронтенд компилятора

Фронтенд – это часть компилятора, которая непосредственно работает с исходным кодом на языке программирования. Его задачи:

1. Проверить, правильно ли написана программа с точки зрения синтаксиса и семантики языка.
2. Найти все ошибки в коде и сообщить о них разработчику.
3. Преобразовать правильный код в промежуточное представление (IR), которое будет использоваться дальше.

Оптимизатор

Оптимизатор получает промежуточное представление от фронтенда и пытается улучшить код. Он выполняет ряд преобразований, чтобы сделать программу более эффективной. Например, может удалить ненужный код, упростить вычисления или перестроить структуру программы для более быстрого выполнения.

Бэкенд компилятора

Бэкенд берет оптимизированное промежуточное представление и превращает его в набор инструкций, которые может выполнить конкретный компьютер или устройство. Важно отметить, что процесс работы бэкенда может отличаться в зависимости от целевой платформы:

1. Для процессоров, работающих с регистрами (например, x86, ARM или RISC-V), бэкенд создает инструкции, которые активно используют эти регистры.
2. Для платформ, основанных на стеке (например, WebAssembly или байт-код Java Virtual Machine), бэкенд создает инструкции, которые в основном работают со стеком данных.

Таким образом, компилятор проводит программу через несколько этапов преобразования: от исходного кода через промежуточное представление к машинным инструкциям, попутно проверяя корректность и улучшая эффективность. Это объемное практическое руководство покажет, как разработать свой ЯП с нуля и создать для него компилятор (с помощью LLVM). Код готового проекта доступен на GitHub. В руководстве шаг за шагом разобраны все основные аспекты создания ЯП:

Определение цели и концепции языка

Прежде всего, нужно определиться, для чего именно предназначен язык – для системного программирования (как Rust), создания бэкенда веб-приложений (как Ruby и PHP), какой-то специфической области, например, разработки ИИ (как Mojo), или просто – для прикола.

Разработка синтаксиса

В базовый синтаксис входят ключевые слова, операторы и основные конструкции (функции, циклы, условные операторы). Важно сделать синтаксис интуитивно понятным для разработчиков, знакомых с другими языками.

Реализация лексического анализатора (лексера)

Лексический анализ – первый этап в работе компилятора. Лексер разбивает исходный код на небольшие элементы, называемые токенами. Токены – это базовые элементы языка: ключевые слова, идентификаторы, числа, операторы и т. д. Например, строка кода "int x = 5;" может быть разбита на токены: [ТИП_ДАННЫХ: "int", ИДЕНТИФИКАТОР: "x", ОПЕРАТОР: "=", ЧИСЛО: "5", РАЗДЕЛИТЕЛЬ: ";"].

Создание синтаксического анализатора (парсера)

Парсер берет токены, созданные лексером, и строит абстрактное синтаксическое дерево (AST). AST представляет структуру программы в виде дерева, где каждый узел соответствует конструкции в исходном коде. Это позволяет компилятору понять структуру и иерархию элементов в программе.

Реализация семантического анализатора

Здесь происходит проверка семантических ошибок и обеспечивается соответствие программы правилам языка и его системе типов. Например, проверяется, объявлены ли все используемые переменные, соответствуют ли типы в выражениях, правильно ли используются функции и т. д.

Разработка системы типов

На этом этапе нужно определить, какие типы данных будут в языке, и реализовать правила преобразования и проверки типов.

Реализация промежуточного представления

После анализа и проверки структуры программы, компилятор генерирует промежуточное представление LLVM. Это низкоуровневый, но платформонезависимый код, который можно оптимизировать и преобразовать в машинный код для различных платформ.

Оптимизация

Оптимизатор работает с промежуточным представлением для повышения эффективности программы. Здесь применяются различные алгоритмы оптимизации – удаление мертвого кода, свертка констант, оптимизация циклов и т. д.

Создание компилятора и генерация кода

На этом этапе все компоненты объединяются в единый инструмент. Для компилируемых языков оптимизированное промежуточное представление преобразуется в машинные инструкции, специфичные для целевой платформы (например, x86, ARM, RISC-V). Результатом является компилятор, который преобразует исходный код в исполняемый файл. Для интерпретируемых языков создается интерпретатор, который выполняет код напрямую.

Освойте ключевые концепции алгоритмов и структур данных с курсом «Алгоритмы и структуры данных» от Proglib Academy, чтобы уверенно создавать сложные программные системы.