Что это — интерпретатор, и где он используется?

Типы интерпретаторов

Простой интерпретатор анализирует и тут же выполняет (собственно интерпретация) программу покомандно (или построчно), по мере поступления её исходного кода на вход интерпретатора. Достоинством такого подхода является мгновенная реакция. Недостаток — такой интерпретатор обнаруживает ошибки в тексте программы только при попытке выполнения команды (или строки) с ошибкой.

Интерпретатор компилирующего типа — это система из компилятора, переводящего исходный код программы в промежуточное представление, например, в байт-код или p-код, и собственно интерпретатора, который выполняет полученный промежуточный код (так называемая виртуальная машина). Достоинством таких систем является большее быстродействие выполнения программ (за счёт выноса анализа исходного кода в отдельный, разовый проход, и минимизации этого анализа в интерпретаторе). Недостатки — большее требование к ресурсам и требование на корректность исходного кода. Применяется в таких языках, как Java, PHP, Tcl, Perl, REXX (сохраняется результат парсинга исходного кода), а также в различных СУБД.

В случае разделения интерпретатора компилирующего типа на компоненты получаются компилятор языка и простой интерпретатор с минимизированным анализом исходного кода. Причём исходный код для такого интерпретатора не обязательно должен иметь текстовый формат или быть байт-кодом, который понимает только данный интерпретатор, это может быть машинный код какой-то существующей аппаратной платформы. К примеру, виртуальные машины вроде QEMU, Bochs, VMware включают в себя интерпретаторы машинного кода процессоров семейства x86.

Некоторые интерпретаторы (например, для языков Лисп, Scheme, Python, Бейсик и других) могут работать в режиме диалога или так называемого цикла чтения-вычисления-печати (англ. read-eval-print loop, REPL). В таком режиме интерпретатор считывает законченную конструкцию языка (например, s-expression в языке Лисп), выполняет её, печатает результаты, после чего переходит к ожиданию ввода пользователем следующей конструкции.

Уникальным является язык Forth, который способен работать как в режиме интерпретации, так и компиляции входных данных, позволяя переключаться между этими режимами в произвольный момент, как во время трансляции исходного кода, так и во время работы программ.

Следует также отметить, что режимы интерпретации можно найти не только в программном, но и аппаратном обеспечении. Так, многие микропроцессоры интерпретируют машинный код с помощью встроенных микропрограмм, а процессоры семейства x86, начиная с Pentium (например, на архитектуре Intel P6), во время исполнения машинного кода предварительно транслируют его во внутренний формат (в последовательность микроопераций).

C & C++ компиляторы Mingw32

Эта система поставляется с компилятором GNU C / C++, который можно использовать для создания исполняемых файлов Win32. Она содержит собственный <windows.h>, который находится в открытом доступе. Предполагается, что приложения, созданные с использованием этой системы, будут быстрее, чем, те которые созданы с помощью Cygwin32, и они не ограничиваются положениями лицензии GNU. Mingw32 поставляется с инструментами для обработки текста (sed, grep), генератором лексического анализатора (flex), генератором парсеров (bison) и т. д. Mingw32 также поставляется с компилятором ресурсов Windows.

Достоинства и недостатки интерпретаторов

Достоинства

• Большая переносимость интерпретируемых программ — программа будет работать на любой платформе, на которой есть соответствующий интерпретатор.
• Как правило, более совершенные и наглядные средства диагностики ошибок в исходных кодах.
• Меньшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

Недостатки

• Интерпретируемая программа не может выполняться отдельно без программы-интерпретатора. Сам интерпретатор при этом может быть очень компактным.
• Интерпретируемая программа выполняется медленнее, поскольку промежуточный анализ исходного кода и планирование его выполнения требуют дополнительного времени в сравнении с непосредственным исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.
• Практически отсутствует оптимизация кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.

Примечания

1. Кочергин В. И. interpreter // Большой англо-русский толковый научно-технический словарь компьютерных информационных технологий и радиоэлектроники. — 2016. — ISBN 978-5-7511-2332-1.
2. ГОСТ 19781-83; СТ ИСО 2382/7-77 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X.
3. Першиков В. И., Савинков В. М. Толковый словарь по информатике / Рецензенты: канд. физ.-мат. наук А. С. Марков и д-р физ.-мат. наук И. В. Поттосин. — М.: Финансы и статистика, 1991. — 543 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-279-00367-0.
4. Борковский А. Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями). — М.: Русский язык, 1990. — 335 с. — 50 050 (доп.) экз. — ISBN 5-200-01169-3.
5. Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп.) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).
6. Dave Martin. . Rexx FAQs. Дата обращения: 22 декабря 2009.
7. Jeff Fox.  (англ.). Thoughtful Programming and Forth. UltraTechnology. Дата обращения: 25 января 2010.

AMD x86 Open64 Compiler Suite

Это версия набора компиляторов Open64 (описанного ниже), которая была настроена для процессоров AMD и имеет дополнительные исправления ошибок. Компилятор C / C++ соответствует стандартам ANSI C99 и ISO C++ 98, поддерживает межъязыковые вызовы (так как он включает в себя компилятор Fortran), 32-битный и 64-битный код x86, векторную и скалярную генерацию кода SSE / SSE2 / SSE3, OpenMP 2.5 для моделей с разделяемой памятью, MPICH2 для моделей с распределенной и разделяемой памятью; содержит оптимизатор, поддерживающий огромное количество оптимизаций (глобальную, цикл-узел, межпроцедурный анализ, обратную связь) и многое другое. Набор поставляется с оптимизированной AMD Core Math Library и документацией. Для этого набора компиляторов требуется Linux.

Рабочий цикл программы

При использовании любого языка программирования существует определенный рабочий цикл создания кода. Вы пишете его, запускаете, находите ошибки и отлаживаете. Таким образом, вы переписываете и дописываете программу, проверяете ее. То, о чем пойдет речь в этой статье, это «запускаемая» часть программы.

Когда пишете программу, вы хотите, чтобы ее инструкции работали на компьютере. Компьютер обрабатывает информацию с помощью процессора, который поэтапно выполняет инструкции, закодированные в двоичном формате. Как из выражения «a = 3;» получить закодированные инструкции, которые процессор может понять?

Мы делаем это с помощью компиляции. Существует специальные приложения, известные как компиляторы. Они принимают программу, которую вы написали. Затем анализируют и разбирают каждую часть программы и строят машинный код для процессора. Часто его также называют объектным кодом.

На одном из этапов процесса обработки задействуется компоновщик, принимающий части программы, которые отдельно были преобразованы в объектный код, и связывает их в один исполняемый файл. Вот схема, описывающая данный процесс:

Первые компиляторы были написаны непосредственно через машинный код или с использованием ассемблеров. Но цель компилятора очевидна: перевести программу в исполняемый машинный код для конкретного процессора.

Некоторые языки программирования разрабатывались с учетом компиляции. C, например, предназначался для того, чтобы дать возможность программистам с легкостью реализовать разные вещи. Но в итоге он разрабатывался таким образом, чтобы его можно было легко перевести на машинный код. Компиляция в программировании это серьезно!

Не все языки программирования учитывают это в своей концепции. Например, Java предназначался для запуска в «интерпретирующей» среде, а Python всегда должен интерпретироваться.

Лексер — превращаем язык в ключевые слова

Мы дошли одновременно до практически самой простой и самой муторной части. Простая она, потому что всего лишь описывает превращение слов языка в наши токены. А муторная, потому что лексеры (а может, только окамловский лексер) плохо рассчитаны на работу с русским языком, поэтому работать с русскими символами можно только как со строками. Так как я хотел сделать ключевые слова языка регистро-независимыми, это добавило кучу геморроя — вместо простого написания «дай» надо было расписывать вариант написания каждой буквы. В общем, смотрите сами, файл yobaLexer.mll:

{
        open YobaParser
        exception Eof
}
rule token = parse
        ("и"|"И") ("д"|"Д") ("и"|"И") (' ')+
        ("н"|"Н") ("а"|"А") ("х"|"Х") ("у"|"У") ("й"|"Й") { FUCKOFF }
      | ("б"|"Б") ("а"|"А") ("л"|"Л") ("а"|"А")
        ("н"|"Н") ("с"|"С") (' ')+
        ("н"|"Н") ("а"|"А") ("х"|"Х")                     { STATS }
      | ' ' '\t' '\n' '\r'                              { token lexbuf }
      | '0'-'9'+                                        { INT(int_of_string(Lexing.lexeme lexbuf)) }
      | ("д"|"Д") ("а"|"А") ("й"|"Й")                     { GIVE }
      | ("н"|"Н") ("а"|"А")                               { TAKE }
      | ("ч"|"Ч") ("о"|"О")                               { WASSUP }
      | ("й"|"Й") ("о"|"О") ("б"|"Б") ("а"|"А")           { DAMN }
      | ("л"|"Л") ("ю"|"Ю") ("б"|"Б") ("л"|"Л") ("ю"|"Ю") { RULEZ }
      | ("е"|"Е") ("с"|"С") ("т"|"Т") ("ь"|"Ь")           { CONTAINS }
      | ("т"|"Т") ("а"|"А") ("д"|"Д") ("а"|"А")           { THEN }
      | ("и"|"И") ("л"|"Л") ("и"|"И")                     { ELSE }
      | ("у"|"У") ("с"|"С") ("е"|"Е") ("к"|"К") ("и"|"И") { MEMORIZE }
      | ("э"|"Э") ("т"|"Т") ("о"|"О")                     { IS }
      | ("х"|"Х") ("у"|"У") ("й"|"Й") ("н"|"Н") ("и"|"И") { CALL }
      |
      ("а"|"б"|"в"|"г"|"д"|"е"|"ё"|"ж"
       |"з"|"и"|"й"|"к"|"л"|"м"|"н"|"о"
       |"п"|"р"|"с"|"т"|"у"|"ф"|"х"|"ц"
       |"ч"|"ш"|"щ"|"ъ"|"ы"|"ь"|"э"|"ю"|"я")+             { ID(Lexing.lexeme lexbuf) }
      | eof                                               { raise Eof }

Примечания

1. Кочергин В. И. interpreter // Большой англо-русский толковый научно-технический словарь компьютерных информационных технологий и радиоэлектроники. — 2016. — ISBN 978-5-7511-2332-1.
2. Интерпретатор // Математический энциклопедический словарь / Гл. ред. Прохоров Ю. В.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — С. 820. — 847 с.
3. ГОСТ 19781-83; СТ ИСО 2382/7-77 // Вычислительная техника. Терминология: Справочное пособие. Выпуск 1 / Рецензент канд. техн. наук Ю. П. Селиванов. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 168 с. — 55 000 экз. — ISBN 5-7050-0155-X.
4. Першиков В. И., Савинков В. М. Толковый словарь по информатике / Рецензенты: канд. физ.-мат. наук А. С. Марков и д-р физ.-мат. наук И. В. Поттосин. — М.: Финансы и статистика, 1991. — 543 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-279-00367-0.
5. Борковский А. Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с толкованиями). — М.: Русский язык, 1990. — 335 с. — 50 050 (доп,) экз. — ISBN 5-200-01169-3.
6. Толковый словарь по вычислительным системам = Dictionary of Computing / Под ред. В. Иллингуорта и др.: Пер. с англ. А. К. Белоцкого и др.; Под ред. Е. К. Масловского. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с. — 70 000 (доп,) экз. — ISBN 5-217-00617-X (СССР), ISBN 0-19-853913-4 (Великобритания).

Microsoft Visual Studio Community

Для индивидуальных или начинающих программистов Microsoft Visual Studio Community включает в себя много важных инструментов из коммерческих версий проекта. Вы получите в свое распоряжение IDE, отладчик, оптимизирующий компилятор, редактор, средства отладки и профилирования. С помощью этого пакета можно разрабатывать программы для настольных и мобильных версий Windows, а также Android. Компилятор C++ поддерживает большинство функций ISO C++ 11, некоторые из ISO C++ 14 и C++ 17. В то же время компилятор C уже безнадежно устарел и не имеет даже надлежащей поддержки C99.

Программное обеспечение также поставляется с поддержкой построения программ на C#, Visual Basic, F# и Python. В то время, когда я писал эту статью, на сайте проекта утверждалось, что Visual Studio Community 2015 «бесплатный инструмент для индивидуальных разработчиков, проектов с открытым исходным кодом, научных исследований, образовательных проектов и небольших профессиональных групп».

Что такое компиляторы и интерпретаторы?

Статья рассчитана на пользователей, которые хотя бы немного знают о том, как устроены сети, операционные системы и языки программирования. Если вы вообще не имеете никакого представления о перечисленном, то рекомендуем почитать, ибо информация будет выглядеть достаточно сумбурно.

Для начал стоит разобраться, что же такое компилятор, ведь он буквально является основой основ. После написания кода на каком-либо языке он обязательно должен пройти стадию компиляции, т. е. сборки всех частей кода воедино. Дело в том, что проект всегда и обязательно разделяется на множество частей, каждая из которых выполняет лишь определенную роль. Будь то работа с сетью, файлами, пользователем и т. д. Такие куски кода могут быть написаны самим пользователем или взяты из стандартной библиотеки STL.

При взятии какого-либо элемента есть два варианта компиляции: автоматический и динамический. При автоматическом берутся все необходимые (включенные) библиотеки, а при динамическом — лишь выбранные части эти библиотек. Это весьма большая тема, поэтому рекомендуем прочитать про каждый способ отдельно.

Итак, все библиотеки, части кода в форме исходных файлов собраны, а что дальше? Правильно, теперь самое время заставить компьютер понимать наш код. Делается это для того, чтоб компьютер мог вообще взаимодействовать с пользователем. Промежуточным звеном между аппаратной и программной частью является полумашинный язык программирования – ассемблер, именно в этот язык интерпретатор переводит вами написанный код.

Из сказанного выше можно сказать, что интерпретатор – это определенная программа для перекодировки в полумашинный язык ассемблер. В следующей части статьи мы поговорим подробнее про современные компиляторы и интерпретаторы.

Достоинства и недостатки интерпретаторов

Достоинства

• Бо́льшая переносимость интерпретируемых программ — программа будет работать на любой платформе, на которой есть соответствующий интерпретатор.
• Как правило, более совершенные и наглядные средства диагностики ошибок в исходных кодах.
• Меньшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

Недостатки

• Интерпретируемая программа не может выполняться отдельно без программы-интепретатора. Сам интерпретатор при этом может быть очень компактным.
• Интерпретируемая программа выполняется медленнее, поскольку промежуточный анализ исходного кода и планирование его выполнения требуют дополнительного времени в сравнении с непосредственным исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.
• Практически отсутствует оптимизация кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.

3) Компиляторы и интерпретаторы

С помощью языка программирования создаётся не готовая программа, а только её текст, описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст либо автоматически перевести в машинный код (для этого служат программы компиляторы) и затем использовать отдельно от исходного текста, либо сразу выполнять команды языка, указанные в тексте программы (этим занимаются программы-интерпретаторы).

Интерпретатор берёт очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет (обычно после анализа оператор транслируется в некоторое промежуточное представление или даже машинный код для более эффективного дальнейшего исполнения). Только после того как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор перейдёт к следующему. При этом если один и тот же оператор будет выполняться в программе многократно, интерпретатор будет выполнять его так как, как будто встретил впервые. Вследствие этого программы,в которых требуется осуществить большой объём вычислений, будут выполняться медленно. Кроме того, для выполнения программы на другом компьютере там тоже должен стоять интерпретатор – ведь без него текст является просто набором символов.

По-другому можно сказать, что интерпретатор моделирует некоторую вычислительную виртуальную машину, для которой базовыми инструкциями служат не элементарные команды процессора, а операторы языка программирования.

Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы (он иногда называется исходный код

)
Они просматривают его в поиске синтаксических ошибок (иногда несколько раз), производят определенный смысловой анализ, а затем автоматически переводят (транслируют
) на машинный язык — генерируют машинный код. Нередко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов позволяющих повысить быстродействие программы (например, с помощью инструкций, ориентированных на конкретный процессор, путём исключения ненужных команд, промежуточных вычислений и т.д.). В результате законченная программа получается законченной и эффективной, работает

В сотни раз быстрее программы, выполняемой с помощьюинтерпретатора, может быть перенесена на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.

Недостаток компилятора
–трудоёмкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложных структур, часто заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Тогда в машинный код приходиться вставлять множество дополнительных проверок, анализировать наличие ресурсов операционной системы, динамически их захватывать и освобождать, формировать и обрабатывать в памяти компьютера сложные объекты, что на уровне жестко заданных машинных инструкций осуществить довольно трудно, а для задачи почти невозможно.

С помощью интерпретатора, наоборот, допустимо в любой момент остановить программу, исследовать содержимое памяти, организовать диалог с пользователем, выполнить сколь угодно сложные преобразования и при этом постоянно контролировать состояние окружающей программно — аппаратной среды, благодаря чему достигается высокая надёжность работы. Интерпретатор при выполнении каждого оператора проверяет множество характеристик операционной системы и при необходимости максимально подробно информирует разработчика о возникающих проблемах. Кроме того, интерпретатор очень удобен для использования в качестве инструмента изучения программирования, так как позволяет понять принципы работы любого отдельного оператора языка.

В реальных системах программирования перемешаны технологии и компиляции и интерпретации. В процессе отладки программа может выполняться по шагам, а результирующий код не обязательно будет машинным – он даже может быть исходным кодом, написанном на другом языке программирования (это существенно упрощает процесс трансляции, но требует компилятора для конкретного языка), или промежуточным машинно-независимым кодом абстрактного процессора, который в различных машинных архитектурах станет выполнять с помощью интерпретатора или компилировать в соответствующий машинный код.

Токенизация

токенизируются

1. Токенизация чисел
   Числа преобразуются в двоичный вид, чтобы не преобразовывать их каждый раз, когда они встречаются в программе. Если числа встречаются только один раз, то рост производительности оказывается не таким большим, но в цикле с большим количеством вычислений это выгодно, потому что число уже представлено в виде, который может понять компьютер.
2. Пометка строк
   Так как память ограничена, если в коде есть строка, которую можно использовать без изменений, то логично будет так и поступить. Например, может выводить «Hello, World» непосредственно из строки программы вместо выделения нового пространства, копирования строки и её вывода.
   Чтобы упростить пропуск строк во время выполнения программы, мы также храним длину самой строки.
3. Поиск в таблице ключевых слов
   Всё, что не является числом или строкой, может быть ключевым словом, поэтому нам нужно выполнять поиск по списку ключевых слов. Это тривиально на JavaScript, но совсем непросто на ассемблере!
   После нахождения ключевого слова связанный с ним токен сохраняется в памяти программы (вместо всего ключевого слова целиком). В результате этого мы можем сэкономить много пространства, особенно когда команду типа можно сократить до одного байта!
4. Вычисление указателей на переменные
   Имена переменных Retroputer BASIC значимы только до первых двух символов (на данный момент). Благодаря этому можно тривиальным образом искать переменную в массиве при помощи довольно простого математического выражения. Но даже в таком случае вычисления занимают время, поэтому было бы здорово, если бы нам не приходилось этого делать при встрече с переменной.
   Retroputer BASIC будет вычислять индекс и хранить его вместе с именем переменной. Кроме имени переменной он также хранит длину переменной, чтобы ускорить выполнение программы. Это занимает большое количество пространства и не было бы хорошим решением для компьютеров с ограниченной памятью, но подходит для Retroputer BASIC.

Сравнительная таблица

Достоинства и недостатки интерпретаторов

Достоинства

• Большая переносимость интерпретируемых программ — программа будет работать на любой платформе, на которой есть соответствующий интерпретатор.
• Как правило, более совершенные и наглядные средства диагностики ошибок в исходных кодах.
• Меньшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

Недостатки

• Интерпретируемая программа не может выполняться отдельно без программы-интерпретатора. Сам интерпретатор при этом может быть очень компактным.
• Интерпретируемая программа выполняется медленнее, поскольку промежуточный анализ исходного кода и планирование его выполнения требуют дополнительного времени в сравнении с непосредственным исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.
• Практически отсутствует оптимизация кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.

Достоинства и недостатки интерпретаторов

Достоинства

• Бо́льшая переносимость интерпретируемых программ — программа будет работать на любой платформе, на которой есть соответствующий интерпретатор.
• Как правило, более совершенные и наглядные средства диагностики ошибок в исходных кодах.
• Меньшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

Недостатки

• Интерпретируемая программа не может выполняться отдельно без программы-интерпретатора. Сам интерпретатор при этом может быть очень компактным.
• Интерпретируемая программа выполняется медленнее, поскольку промежуточный анализ исходного кода и планирование его выполнения требуют дополнительного времени в сравнении с непосредственным исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.
• Практически отсутствует оптимизация кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.