Что такое интерпретированный язык
Интерпретируемый язык программирования
Интерпретируемый язык программирования — язык программирования, в котором исходный код программы не преобразовывается в машинный код для непосредственного выполнения центральным процессором (как в компилируемых языках), а исполняется с помощью специальной программы-интерпретатора.
В общем случае, любой язык может быть компилируемым и интерпретируемым, так что данное разделение относится к практике применения языка, а не является его свойством. При этом для многих языков существует различие в производительности между компилируемой и интерпретируемой реализацией.
Содержание
История
В ранние годы развития программирования на языки сильно влиял выбор способа выполнения. Например, компилируемые языки требовали задания типа данных переменной в момент ее описания или первого использования. В то время как интерпретируемые языки в силу своей динамической природы позволяли отказаться от этого требования, что давало больше гибкости и ускоряло разработку.
Изначально интерпретируемые языки преобразовывались в машинный код построчно, то есть каждая логическая строка компилировалась непосредственно перед выполнением. В результате каждая инструкция, заключенная в тело цикла и исполняемая несколько раз, столько же раз обрабатывалась транслятором. В настоящее время такие эффекты редки. Большинство интерпретируемых языков предварительно транслируются в промежуточное представление. Оно представляет собой байт-код или шитый код (threaded code). Это набор инструкций по вызову небольших фрагментов более низкоуровнего кода, эквивалентный нескольким командам ассемблера или командам виртуальной машины соответственно. Уже этот код испольняется интерпретатором или виртуальной машиной.
Например, такую схему используют следующие языки:
Промежуточный код может создаваться как явной процедурой компиляции всего проекта (Java), так и скрытой трансляцией каждый раз перед началом выполнения программы (Perl, Ruby) и при изменении исходного кода (Python).
Преимущества
Есть ряд возможностей, которые значительно легче реализовать в интерпретаторе, чем в компиляторе:
Кроме того, принципы и стиль программирования часто не требуют создания и описания специальных конструкций, оформляющих программу (манифестов, классов, типов данных). Это позволяет разрабатывать и тестировать код постепенно, что удобно как для написания небольших программ, так и для изолированной разработки модулей для сложных систем. В силу своей универсальности их удобно применять в качестве скриптовых языков.
Недостатки
Основным недостатком является меньшая производительность по сравнению с компилируемыми языками, преобразуемыми в машинный код. Трансляция в байт-код и JIT-компиляция не решают этой проблемы полностью. Дополнительный слой интерпретатора или виртуальной машины замедляет выполнение программы и может требовать больше ресурсов.
Из-за отсутствия компиляции всего проекта большинство ошибок можно поймать только во время выполнения. В результате в среднем интерпретируемый код следует тестировать тщательнее компилируемого, строже придерживаться соглашений по оформлению программ и использовать дополнительные анализаторы качества кода. Последний недостаток выражен несильно, так как при серьезной разработке на компилируемых языках также необходимо применение этих средств.
Области использования
Исключение этапа компиляции позволяет производить более быструю разработку программ, поэтому интерпретируемые языки используются при написании сложных одноразовых программ (например, для проведения однократного вычисления).
Пример
Программа helloworld.py на языке Python может содержать всего одну строку:
print «Hello world!» — интерпретатор этого языка (который сам, в свою очередь, написан на компилируемом языке программирования) сможет исполнить эту программу и вывести результат.
$ python helloworld.py
Hello world!
Список языков
К интерпретируемым языкам можно отнести все скриптовые языки.
 |
Смотреть что такое «Интерпретируемый язык программирования» в других словарях:
Язык программирования Java — разработанный корпорацией Sun Microsistems межплатформенный, интерпретируемый, объектно ориентированный язык программирования, используемый для создания приложений, работающих в под управлением веб браузера и характеризующихся высоким уровнем… … Финансовый словарь
Язык программирования Рубин — Ruby Семантика: мультипарадигмальный Тип исполнения: интерпретатор Появился в: 1995 г. Автор(ы): Юкихиро Мацумото Последняя версия: 1.9.1 … Википедия
Язык программирования — Язык программирования формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия,… … Википедия
Би (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. B. У этого термина существуют и другие значения, см. БИ (значения). B Класс языка: процедурная Тип исполнения: интерпретируемый Появился в: 1969 А … Википедия
Диалект (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. Диалект (значения). Диалект Тип исполнения: интерпретируемый Автор(ы): Джордж Харт Диалект интерпретируемый язык программирования, созданный Джорджем Хартом в рамках институтского проекта по … Википедия
Рубин (язык программирования) — Ruby Семантика: мультипарадигмальный Тип исполнения: интерпретатор Появился в: 1995 г. Автор(ы): Юкихиро Мацумото Последняя версия: 1.9.1 … Википедия
Euphoria (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. Euphoria. Euphoria Семантика: императивный Класс языка: процедурный Тип исполнения: интерпретация, интерп … Википедия
AWL (язык программирования) — AWL (Alternative Web Language) Класс языка: мультипарадигмальный: функциональный, процедурный, объектно ориентированный Тип исполнения: интерпретируемый Появился в: 2005 г. Типизация данных: динамическая … Википедия
R (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. R. R Класс языка: функциональный Тип исполнения: интерпретируемый Появился в: 1993 … Википедия
ABC (язык программирования) — ABC Класс языка: императивный, процедурный, структурный Тип исполнения: интерпретируемый, компилируемый Появился в: 1987 Автор(ы): Leo Geurts, Lambert Meertens ( … Википедия
Статьи
Компилируемые и интерпретируемые языки программирования
Желающие освоить язык программирования сталкиваются с такими понятиями, как компилятор и интерпретатор. Компиляция и интерпретация — это основа работы языков программирования.
Языки программирования в общем подходе делятся на два класса — компилируемые и интерпретируемые. Стоит отметить, что эта классификация языков программирования на компилируемые и интерпретируемые, является весьма условной, поскольку для любого языка программирования может быть создан как компилятор, так и интерпретатор. Кроме того бывают языки программирования смешанного типа.
Мы полагаемся на такие инструменты, как компиляция и интерпретация, чтобы преобразовать наш код в форму, понятную компьютеру. Код может быть исполнен нативно, в операционной системе после конвертации в машинный (путём компиляции) или же исполняться построчно другой программой, которая делает это вместо ОС (интерпретатор).
Компилируемые языки
Программа на компилируемом языке при помощи специальной программы компилятора преобразуется (компилируется) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполняемый файл, который может быть запущен на выполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит программу с языка высокого уровня на низкоуровневый язык, понятный процессору сразу и целиком, создавая при этом отдельную программу
Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем при каждом изменении текста программы требуется ее перекомпиляция, что создает трудности при разработке. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.
Компилируемые языки обычно позволяют получить более быструю и, возможно, более компактную программу, и поэтому применяются для создания часто используемых программ.
Примерами компилируемых языков являются Pascal, C, C++, Erlang, Haskell, Rust, Go, Ada.
Интерпретируемые языки
Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) ее текст без предварительного перевода. При этом программа остается на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Можно сказать, что процессор компьютера — это интерпретатор машинного кода. Кратко говоря, интерпретатор переводит на машинный язык прямо во время исполнения программы.
Программы на интерпретируемых языках можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку. Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий. Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без дополнительной программы-интерпретатора.
Примерами интерпретируемых языков являются PHP, Perl, Ruby, Python, JavaScript. К интерпретируемым языкам также можно отнести все скриптовые языки.
Многие языки в наши дни имеют как компилируемые, так и интерпретируемые реализации, сводя разницу между ними к минимуму. Некоторые языки, например, Java и C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету». Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для C# — Common Language Runtime.
Перепечатка статьи допускается только при указании активной ссылки на сайт itmentor.by
Хочешь получать новые статьи первым? Вступай в сообщества ITmentor Вконтакте и Facebook
Опубликован: 06-01-2017 
28542 Поделиться:
Чем отличаются компилируемые и интерпретируемые языки программирования?
Что такое компилируемый язык программирования?
Приведенная выше команда превращает код из формата, удобного для восприятия человеком, в машинный код, который может выполнить компьютер. gcc сам является скомпилированной программой ( компилятор gnu c ).
Скомпилированную программу можно выполнить, просто запустив имя программы следующим образом:
Преимущества использования компилятора заключаются в том, что он обычно работает быстрее, чем интерпретируемый код, так как ему не нужно обрабатывать код « на лету » во время работы приложения.
Кроме этого, скомпилированная программа будет проверена на наличие ошибок во время компиляции. Если есть команды, которые не понравились компилятору, то о них будет сообщено. Это позволяет исправлять все ошибки перед запуском программы.
Но то, что программа скомпилирована успешно, еще не означает, что она будет работать так, как вы ожидаете. Поэтому все равно нужно протестировать приложение.
Что такое интерпретируемый язык?
Для выполнения кода нужно его компилировать сначала. Вместо этого я могу просто запустить следующую команду:
Приведенный выше код не нужно компилировать. Но необходимо, чтобы python был установлен на компьютере, на котором будет работать скрипт.
Интерпретатор python принимает удобный для восприятия человеком код и превращает его в промежуточное « состояние », прежде чем сформировать то, что может прочитать ПК. Все это происходит за кадром, и пользователь увидит только слова « hello world ».
Принято считать, что интерпретируемый код будет работать медленнее, чем скомпилированный код, потому что он должен проходить этап преобразования кода в отличие от скомпилированный кода, который просто выполняется.
Еще одно преимущество заключается в том, что код всегда доступен для чтения, и его можно легко изменить. В случае со скомпилированным кодом нужно найти, где находится код, изменить его, скомпилировать и заново запустить программу.
В случае использования интерпретируемого кода вы открываете программу, меняете ее, и она готова к работе.
Так какой же язык использовать?
Сомневаюсь, что выбор языка программирования для изучения будет определен тем, что вы узнали, какие языки являются компилируемыми.
Основные принципы программирования: компилируемые и интерпретируемые языки
Основные принципы программирования: компилируемые и интерпретируемые языки
Как и в предыдущей статье этого цикла, я хочу обратить ваше внимание на ключевые принципы программирования, которые влияют на всё то, что мы делаем, но с которыми мы редко сталкиваемся напрямую и поэтому не до конца их понимаем. Тема сегодняшней статьи — компилируемые и интерпретируемые языки.
Будучи разработчиками, мы часто сталкиваемся с такими понятиями, как компилятор и интерпретатор, но я считаю, что многие не совсем понимают, что они означают. Между тем, компиляция и интерпретация — это основы работы всех языков программирования. Давайте взглянем на то, как на самом деле устроены эти понятия.
Вступление
Мы полагаемся на такие инструменты, как компиляция и интерпретация, чтобы преобразовать наш код в форму, понятную компьютеру. Код может быть исполнен нативно, в операционной системе после конвертации в машинный (путём компиляции) или же исполняться построчно другой программой, которая делает это вместо ОС (интерпретатор).
Компилируемый язык — это такой язык, что программа, будучи скомпилированной, содержит инструкции целевой машины; этот машинный код непонятен людям. Интерпретируемый же язык — это такой, в котором инструкции не исполняются целевой машиной, а считываются и исполняются другой программой (которая обычно написана на языке целевой машины). Как у компиляции, так и у интерпретации есть свои плюсы и минусы, и именно это мы и обсудим.
Прежде чем мы продолжим, стоит отметить, что многие языки программирования имеют как компилируемую, так и интерпретируемую версии, поэтому классифицировать их затруднительно. Тем не менее, чтобы не усложнять, в дальнейшем я буду разделять компилируемые и интерпретируемые языки.
Компилируемые языки
Главное преимущество компилируемых языков — это скорость исполнения. Поскольку они конвертируются в машинный код, они работают гораздо быстрее и эффективнее, нежели интерпретируемые, особенно если учесть сложность утверждений некоторых современных скриптовых интерпретируемых языков.
Низкоуровневые языки как правило являются компилируемыми, поскольку эффективность обычно ставится выше кроссплатформенности. Кроме того, компилируемые языки дают разработчику гораздо больше возможностей в плане контроля аппаратного обеспечения, например, управления памятью и использованием процессора. Примерами компилируемых языков являются C, C++, Erlang, Haskell и более современные языки, такие как Rust и Go.
Проблемы компилируемых языков, в общем-то, очевидны. Для запуска программы, написаной на компилируемом языке, её сперва нужно скомпилировать. Это не только лишний шаг, но и значительное усложнение отладки, ведь для тестирования любого изменения программу нужно компилировать заново. Кроме того, компилируемые языки являются платформо-зависимыми, поскольку машинный код зависит от машины, на которой компилируется и исполняется программа.
Интерпретируемые языки
В отличие от компилируемых языков, интерпретируемым для исполнения программы не нужен машинный код; вместо этого программу построчно исполнят интерпретаторы. Раньше процесс интерпретации занимал очень много времени, но с приходом таких технологий, как JIT-компиляция, разрыв между компилируемыми и интерпретируемыми языками сокращается. Примерами интерпретируемых языков являются PHP, Perl, Ruby и Python. Вот некоторые из концептов, которые стали проще благодаря интерпретируемым языкам:
Основным недостатком интерпретируемых языком является их невысокая скорость исполнения. Тем не менее, JIT-компиляция позволяет ускорить процесс благодаря переводу часто используемых последовательностей инструкции в машинный код.
Бонус: байткод-языки
В байткод-языке сперва происходит компиляция программы из человекочитаемого языка в байткод. Байткод — это набор инструкций, созданный для эффективного исполнения интерпретатором и состоящий из компактных числовых кодов, констант и ссылок на память. С этого момента байткод передаётся в виртуальную машину, которая затем интерпретирует код также, как и обычный интерпретатор.
При компиляции кода в байткод происходит задержка, но дальнейшая скорость исполнения значительно возрастает в силу оптимизации байткода. Кроме того, байткод-языки являются платформо-независимыми, превосходя при этом по скорости интерпретируемые. Для них также доступна JIT-компиляция.
Заключение
Многие языки в наши дни имеют как компилируемые, так и интерпретируемые реализации, сводя разницу между ними на нет. У каждого вида исполнения кода есть преимущества и недостатки.
Вкратце, компилируемые языки являются самыми эффективными, поскольку они исполняются как машинный код и позволяют использовать аппаратное обеспечение системы. Однако это вводит дополнительные ограничение на написание кода и делает его платформо-зависимым. Интерпретируемые же языки не зависят от платформы и позволяют использовать такие техники динамического программирования, как метапрограммирование. Тем не менее, в скорости исполнения они значительно уступают компилируемым языкам.
Байткод-языки, в свою очередь, пытаются использовать сильные стороны обоих видов языков, и у них это неплохо получается.
Введение в компиляторы, интерпретаторы и JIT’ы
Интерпретируя код
Но прежде чем говорить о том, как это всё работает, давайте разберём один простой пример. Представим, что у нас есть новый язык программирования (придумайте любое название). Язык довольно прост:
set a 1
set b 2
add a b c
print c
Теперь давайте напишем программу, которая считывает каждое «выражение», находит оператор и операнды, а затем что-то с ними делает, в зависимости от конкретного оператора. Это довольно просто реализовать на PHP, как вы можете видеть на примере листинга 1.
Это очень простая программа, и вам не придётся писать своё следующее веб-приложение на вашем новом языке. Но данный пример помогает понять, как легко можно создать новый язык и получить программу, которая способна считывать и выполнять этот язык. В нашем случае она построчно считывает исходный файл и выполняет код в зависимости от текущего оператора. Для запуска приложения нам не нужно преобразовывать его в ассемблер или двоичный код, оно и так прекрасно работает. Этот метод выполнения программ называется интерпретированием. Например, таким образом часто выполняются программы на Basic: каждое выражение считывается и сразу же выполняется в высокоуровневом режиме.
Но тут есть ряд проблем. Одна из них заключается в том, что написать подобный языковой процессор довольно легко, а вот выполняться новый язык будет очень медленно. Ведь нам придётся обрабатывать каждую строку и проверять:
Но, несмотря на неторопливость, у интерпретирования есть преимущества: мы можем сразу запускать программу после каждого внесённого изменения. Для внимательных: когда я что-то меняю в PHP-скрипте, я сразу могу его выполнить и увидеть изменения; означает ли это, что PHP — интерпретируемый язык? На данный момент будем считать, что да. PHP-скрипт интерпретируется подобно нашему гипотетическому простому языку. Но в следующих разделах мы ещё к этому вернёмся!
Транскомпилирование
Как можно заставить нашу программу «работать быстро»? Это можно сделать разными способами. Один из них, разработанный в Facebook, называется HipHop (я имею в виду «старую» систему HipHop, а не используемую сегодня HHVM). HipHop преобразовывал один язык (PHP) в другой (С++). Результат преобразования можно было с помощью компилятора С++ превратить в двоичный код. Его компьютер способен понять и выполнить без дополнительной нагрузки в виде интерпретатора. В результате экономится ОГРОМНОЕ количество вычислительных ресурсов и приложение работает гораздо быстрее.
Этот метод называется source-to-source компилированием, или транскомпилированием, или даже транспилированием (transpiling). На самом деле происходит не компилирование в двоичный код, а преобразование в то, что может быть скомпилировано в машинный код существующими компиляторами.
Транскомпилирование позволяет напрямую выполнять двоичный код, что повышает производительность. Однако у этого метода есть и обратная сторона: прежде чем выполнить код, нам сначала нужно провести транскомпилирование, а затем настоящее компилирование. Но это нужно делать только тогда, когда в приложение вносятся изменения, т. е. только во время разработки.
Транскомпилирование также используется для того, чтобы сделать «жёсткие» языки более простыми и динамичными. Например, браузеры не понимают код, написанный на LESS, SASS и SCSS. Но зато его можно транспилировать в CSS, который браузеры понимают. Поддерживать CSS проще, но приходится дополнительно транскомпилировать.
Компилирование
Чтобы всё работало ещё быстрее, нужно избавиться от стадии транскомпилирования. То есть компилировать наш язык сразу в двоичный код, который мог бы тут же выполняться, без дополнительной нагрузки в виде интерпретирования или транскомпилирования.
К сожалению, написание компилятора — одна из труднейших задач в информатике. Например, при компилировании в двоичный код нужно учитывать, на каком компьютере он будет выполняться: на 32-битной Linux, или 64-битной Windows, или вообще на OS X. Зато интерпретируемый скрипт может легко выполняться где угодно. Как и в PHP, нам не нужно переживать о том, где выполняется наш скрипт. Хотя может встречаться и код, предназначенный для конкретной ОС, что сделает невозможным выполнение скрипта на других системах, но это не вина интерпретатора.
Но даже если мы избавимся от стадии транскомпилирования, нам никуда не деться от компилирования. Например, большие программы, написанные на С (компилируемый язык), могут компилироваться чуть ли не час. Представьте, что вы написали приложение на PHP и вам нужно ждать ещё десять минут, прежде чем увидеть, работают ли внесённые изменения.
Используя всё лучшее
Если интерпретирование подразумевает медленное выполнение, а компилирование сложно в реализации и требует больше времени при разработке, то как работают языки вроде PHP, Python или Ruby? Они довольно быстрые!
Это потому, что они используют и интерпретирование, и компилирование. Давайте посмотрим, как это получается.
Что, если бы мы могли преобразовывать наш выдуманный язык не напрямую в двоичный код, а в нечто, очень на него похожее (это называется «байт-код»)? И если бы этот байт-код был так близок к тому, как работает компьютер, что его интерпретирование выполнялось бы очень быстро (например, миллионы байт-кодов в секунду)? Это сделало бы наше приложение почти таким же быстрым, как и компилируемое, при этом сохранились бы все преимущества интерпретируемых языков. Самое главное, нам не пришлось бы компилировать скрипты при каждом изменении.
Выглядит очень заманчиво. По сути, подобным образом работают многие языки — PHP, Ruby, Python и даже Java. Вместо считывания и поочерёдного интерпретирования строк исходного кода, в этих языках используется другой подход:
Ещё одна оптимизация: после генерирования байт-кода мы можем использовать его при всех последующих запросах. Так что можно закешировать и его (главное, убедитесь, что при изменении исходного файла байт-код будет перекомпилироваться). Именно это делают кеши кода операций (opcode caches), вроде расширения OPCache в PHP: кешируют скомпилированные скрипты, чтобы их можно было быстро выполнить при последующих запросах без избыточных загрузок и компилирования в байт-код.
Наконец, последний шаг к высокой скорости — выполнение байт-кода нашим PHP-интерпретатором. В следующей части мы сравним это с обычными интерпретаторами. Во избежание путаницы: подобный интерпретатор байт-кода часто называется «виртуальной машиной», потому что в определённой степени он копирует работу машины (компьютера). Не надо путать это с виртуальными машинами, запускаемыми на компьютерах, вроде VirtualBox или VMware. Речь идёт о таких вещах, как JVM (Java Virtual Machine) в мире Java и HHVM (HipHop Virtual Machine) в мире PHP. Свои виртуальные машины есть у Python и Ruby. В некотором роде все они являются высокоспециализированными и производительными интерпретаторами байт-кода.
Каждая ВМ выполняет собственный байт-код, генерируемый конкретным языком, и они несовместимы между собой. Вы не можете выполнять байт-код PHP на ВМ Python, и наоборот. Однако теоретически возможно создать программу, компилирующую PHP-скрипты в байт-код, который будет понятен ВМ Python. Так что в теории вы можете запускать PHP-скрипты в Python (серьёзный вызов!).
Байт-код
Как выглядит и работает байт-код? Рассмотрим два примера. Возьмём PHP-код:
Посмотреть его байт-код можно с помощью 3v4l.org или установив расширение VLD. Получим следующее:
Теперь возьмём аналогичный пример на Python:
Python может напрямую сгенерировать коды операций ©python:
Поскольку байт-код состоит из простых инструкций, интерпретирование проходит очень быстро. Вместо тысяч двоичных инструкций, которые нужно обработать для каждого выражения интерпретируемого языка, в байт-коде на каждое выражение приходится по несколько сотен инструкций (иногда и того меньше). Поэтому виртуальные машины работают гораздо быстрее интерпретируемых языков.
Иными словами, виртуалки взяли всё лучшее от двух миров. Хотя нам по-прежнему нужно компилировать из исходного кода в байт-код, этот процесс становится быстрым и прозрачным. А после получения байт-кода виртуальная машина быстро и эффективно интерпретирует его без излишних накладных расходов. И в результате мы имеем высокопроизводительное приложение.
От исходного кода к байт-коду
Теперь, когда мы умеем эффективно выполнять сгенерированный байт-код, остаётся задача компилирования исходного кода в этот байт-код.
Рассмотрим следующие PHP-выражения:
Все они одинаково верны и должны быть преобразованы в одинаковые байт-коды. Но как мы их считываем? Ведь в нашем собственном интерпретаторе мы парсим команды, разделяя их пробелами. Это означает, что программист должен писать код в одном стиле, в отличие от PHP, где вы можете в одной строке использовать отступления или пробелы, скобки в одной строке или переносить на вторую строку и т. д. В первую очередь компилятор попытается преобразовать ваш исходный код в токены. Этот процесс называется лексингом (lexing) или токенизацией.
Лексинг
Токенизация (лексинг) заключается в преобразовании исходного PHP-кода — без понимания его значения — в длинный список токенов. Это сложный процесс, но в PHP вы можете довольно легко сделать нечто подобное. Представленный в листинге 2 код выдаёт следующий результат:
Строковое значение преобразуется в токены:
Парсеры и токенизаторы полезны и в других сферах. Например, они используются для парсинга SQL-выражений в базах данных, и на PHP также написано немало парсеров и токенизаторов. У объектно-реляционного маппера Doctrine есть свой парсер для DQL-выражений, а также «транскомпилятор» для преобразования DQL в SQL. Многие движки шаблонов, в том числе Twig, используют собственные токенизаторы и парсеры для «компилирования» файлов шаблонов обратно в PHP-скрипты. По сути, эти движки тоже транскомпиляторы!
Абстрактное синтаксическое дерево
После токенизации и парсинга нашего языка мы можем генерировать байт-код. Вплоть до PHP 5.6 он генерировался во время парсинга. Но привычнее было бы добавить в процесс отдельную стадию: пусть парсер генерирует не байт-код, а так называемое абстрактное синтаксическое дерево (Abstract Syntax Tree, AST). Это древовидная структура, в которой абстрактно представлена вся программа. AST не только упрощает генерирование байт-кода, но и позволяет нам вносить изменения в дерево, прежде чем оно будет преобразовано. Дерево всегда генерируется особым образом. Узел дерева, представляющий собой выражение if, обязательно имеет под собой три элемента:
В результате мы можем «переписать» программу до того, как она будет преобразована в байт-код. Иногда это используется для оптимизации кода. Если мы обнаружим, что разработчик раз за разом перевычислял переменную внутри цикла, и мы знаем, что переменная всегда имеет одно и то же значение, то оптимизатор может переписать AST так, чтобы создать временную переменную, которую не нужно каждый раз вычислять заново. Дерево можно использовать для небольшой реорганизации кода, чтобы он работал быстрее: удалить ненужные переменные и т. п. Это не всегда возможно, но когда у нас есть дерево всей программы, то такие проверки и оптимизации выполнять куда легче. Внутри AST можно посмотреть, объявляются ли переменные до их использования или используется ли присваивание в условном блоке ( if ($a = 1) <> ). И при обнаружении потенциально ошибочных структур выдать предупреждение. С помощью дерева можно даже анализировать код с точки зрения информационной безопасности и предупреждать пользователей во время выполнения скрипта.
Всё это называется статическим анализом — он позволяет создавать новые возможности, оптимизации и системы валидации, помогающие разработчикам писать гармоничный, безопасный и быстрый код.
В PHP 7.0 появился новый движок парсинга (Zend 3.0), который тоже генерирует AST во время парсинга. Поскольку он достаточно свежий, с его помощью можно сделать не так много. Но сам факт его наличия означает, что мы можем ожидать появления в ближайшем будущем самых разных возможностей. Функция token_get_all() уже принимает новую, недокументированную константу TOKEN_PARSE, которая в будущем может использоваться для возвращения не только токенов, но и отпарсенного AST. Сторонние расширения вроде php-ast позволяют просматривать и редактировать дерево прямо в PHP. Полная переработка движка Zend и реализации AST откроет PHP для самых разных новых задач.
Помимо виртуальных машин, выполняющих высокооптимизированный байт-код, сгенерированный из AST, есть и другая методика повышения скорости. Но это одна из самых сложных в реализации вещей.
Как выполняется приложение? Много времени тратится на его настройку: например, нужно запустить фреймворк, отпарсить маршруты, обработать переменные среды и т. д. По завершении всех этих процедур программа обычно всё ещё не запущена. По сути, куча времени потрачена лишь на функционирование какой-то части вашего приложения. А что, если мы выявим те части, которые могут часто запускаться и способны преобразовывать маленькие куски кода (допустим, всего несколько методов) в двоичный код? Конечно, на это компилирование может уходить относительно много времени, но всё равно метод компилируется куда быстрее, чем всё приложение. Возможно, при первом вызове функции вы столкнётесь с маленькой задержкой, но все последующие вызовы будут выполняться молниеносно, минуя виртуальную машину, и сразу в виде двоичного кода.
Мы получаем скорость компилируемого кода и наслаждаемся преимуществами кода интерпретируемого. Подобные системы могут работать быстрее обычного интерпретируемого байт-кода, иногда гораздо быстрее. Речь идёт о JIT-компиляторах (just-in-time, точно в срок). Название подходит как нельзя лучше. Система обнаруживает, какие части байт-кода могут быть хорошими кандидатами на компилирование в двоичный код, и делает это в тот момент, когда нужно выполнять эти самые части. То есть — точно в срок. Программа может стартовать немедленно, не нужно ждать завершения компилирования. В двоичный код преобразуются только самые эффективные части кода, так что процесс компилирования автоматизируется и ускоряется.
Хотя не все JIT-компиляторы работают таким образом. Некоторые компилируют все методы на лету; другие пытаются только определить, какие функции нужно скомпилировать на ранней стадии; третьи будут компилировать функции, если они вызываются два и больше раза. Но все JIT’ы используют один принцип: компилировать маленькие куски кода, когда они действительно нужны.
Ещё одно преимущество JIT’ов по сравнению с обычным компилированием заключается в том, что они способны лучше прогнозировать и оптимизировать на основании текущего состояния приложения. JIT’ы могут динамически анализировать код во время runtime и делать предположения, на которые неспособны обычные компиляторы. Ведь во время компиляции у нас нет информации о текущем состоянии программы, а JIT’ы компилируют на стадии выполнения.
Если вам доводилось работать с HHVM, то вы уже использовали JIT-компилятор: PHP-код (и надмножественный язык Hack) преобразуется в байт-код, запускаемый на виртуальной машине HHVM. Машина обнаруживает блоки, которые могут быть безопасно преобразованы в двоичный код; если это ещё не было сделано, она это делает и запускает их. По окончании запуска ВМ переходит к следующим байт-кодам, которые могут быть преобразованы в двоичный код.
PHP 7 не выполняется на JIT-компиляторе, но зато его новая система превосходит все предыдущие релизы. Сейчас во всех его компонентах проводятся эксперименты со статическим анализом, динамической оптимизацией, и даже есть простые JIT-системы. Так что не исключено, что однажды даже PHP 7 окажется позади!