Компилятор

Компилятор — это программа, которая переводит текст, написанный на языке программирования, в машинные коды. С помощью компиляторов компьютеры могут понимать разные языки программирования, в том числе высокоуровневые, то есть близкие к человеку и далекие от «железа».

Процесс работы компилятора с кодом называется компиляцией, или сборкой. По сути, компилятор — комплексный «переводчик», который собирает, или компилирует, программу в исполняемый файл. Исполняемый файл — это набор инструкций для компьютера, который тот понимает и может выполнить.

Языки программирования, для перевода которых используются компиляторы, называются компилируемыми.

Для чего нужен компилятор

Изначально компьютер не понимает смысл написанного на любом языке программирования. Язык компьютера — машинные коды, нули и единицы, в которых зашифрована информация и команды. Писать на машинных кодах программы практически невозможно: даже простейшее действие будет отнимать много часов работы программиста. Поэтому появились языки программирования, более понятные для людей, и специальные программы, которые переводят эти языки в машинные коды. Эти программы и есть компиляторы.

Без компилятора любой код на компилируемом языке программирования будет для компьютера просто текстом — он не распознает команды и не сможет их выполнить. Поэтому компилятор нужен, чтобы программы могли выполняться. Без него ничего не будет работать.

Еще одна задача компилятора — собрать все модули, например подключенные библиотеки, в единый файл. Нужно, чтобы исполняемый файл содержал в себе все необходимое для нормальной работы программы и полного выполнения инструкций.

Компилятор и интерпретатор: в чем разница

Компиляция — не единственный подход к «переводу» человекопонятного языка программирования на машинный. Еще есть интерпретаторы и байт-код, но там технологии совсем другие.

Интерпретатор — это тоже программа, которая «переводит» текст на высокоуровневом языке программирования, но делает это иначе. Она не собирает весь код в один исполняемый файл для последующего запуска, а исполняет код сразу, построчно. Это чуть медленнее, но иногда удобнее. Языки, использующие интерпретаторы, называются интерпретируемыми.

Байт-код — «промежуточное звено» между подходами компиляции и интерпретации. Программа преобразуется в особый код, который запускается под специальной виртуальной машиной. Языков, которые работают так, относительно немного, самый известный и яркий пример — Java.

В каких языках используются компиляторы

Среди популярных сегодня языков компилируемыми являются Swift и Go, а также C / C++ и Objective-C. Другие примеры — Visual Basic, Haskell, Pascal / Delphi, Rust, а также Lisp, Prolog и прочие менее известные языки. Разумеется, компилируемым является и язык ассемблера — очень низкоуровневый и написанный напрямую на машинных кодах.

Отдельно можно выделить языки, которые трансформируются в байт-код — это тоже своего рода компиляция. К ним относятся Java, Scala и Kotlin, а также C# и языки платформы .NET.

На каких языках пишут компиляторы

Другие языки. Писать компилятор на машинном коде тяжело и долго, порой практически невозможно. Поэтому их пишут на уже существующих языках: получается, что большинство языков написано на других.

Например, один из компиляторов языка Go частично написан на C++, самый первый компилятор C++ — на ассемблере, а уже ассемблер — на машинных кодах.

Тот же язык. Написать компилятор для языка программирования можно на других версиях того же языка — такой подход разрешен и активно используется в разработке. Это нужно, чтобы компиляторы были более гибкими и «умными» и могли поддерживать больше возможностей, — ассемблер довольно примитивен и не решает всех задач.

Выглядит это так:

• первый, более простой компилятор пишется на ассемблере;
• второй пишется уже на нужном языке и компилируется первым компилятором;
• переведенный в машинные коды второй компилятор компилирует свои же исходники — получается более новая и мощная версия его же.

Например, большинство современных компиляторов для C / C++ написано на C / C++. Такие компиляторы называют самокомпилируемыми.

Почему у одного языка может быть несколько компиляторов

У большинства языков программирования несколько компиляторов. Их еще называют реализациями. Изначальную реализацию пишет создатель языка, потом со временем появляются альтернативные. Зачем это делается? Цели могут быть разными:

• написать более современный и функциональный компилятор, обновить язык;
• оптимизировать язык и сделать его эффективнее;
• создать свободную реализацию, которую сможет дополнять сообщество;
• исправить ошибки, которые есть в существующих реализациях;
• перенести язык на другую платформу, и так далее.

Подходы к оптимизации, портированию и выполнению других целей у всех групп разработчиков свои. Поэтому разные компиляторы одного и того же языка могут различаться скоростью, особенностями архитектуры, назначением и другими параметрами. Синтаксис языка при этом остается таким же, но есть особые ситуации, когда одна и та же строчка может выполняться по-разному в зависимости от компилятора.

Какими бывают компиляторы

Компиляторы очень многообразны. Есть такие, которые имеют узкую специализацию, например запускаются только под процессоры определенного семейства и оптимизированы под них. Есть и более широкие — так называемые кросс-компиляторы, которые могут поддерживать несколько операционных систем.

Один компилятор может «знать» несколько языков программирования. Яркий пример такого решения — GCC, или GNU Compiler Collection, кросс-компилятор для нескольких операционных систем и языков, полностью бесплатный и свободный. На нем написано программное обеспечение GNU.

Существуют и так называемые компиляторы компиляторов. Они генерируют компиляторы для языка на основе его формального описания.

Как устроены и работают компиляторы

Простыми словами, они «читают» пришедшую к ним на вход программу и переводят ее команды в соответствующие им наборы машинных кодов. Детали уже сложнее и различаются в зависимости от реализации. Например, есть модульные гибкие компиляторы, написанные на высокоуровневых языках, есть отладочные компиляторы, способные устранять часть синтаксических ошибок, и так далее.

Сама компиляция может быть:

• построчной — в машинный код по очереди переводится каждая строка, что похоже на интерпретацию, но отличается технически;
• пакетной — код разбивается на блоки, или пакеты, и компилируется поблочно;
• условной — особенности компиляции зависят от условий, которые прописаны в исходном коде компилируемой программы.

Сначала компилятор разбирает, что написано, потом анализирует команды, а потом генерирует машинные коды. Он не запускает программу, запуск — это отдельное действие.

Преимущества компилируемых языков

• Компилируемые языки обычно быстрее, чем интерпретируемые, и их легче оптимизировать.
• Итоговый размер кода у компилируемых языков, как правило, меньше, чем у интерпретируемых.
• В компилируемых языках намного шире возможность контролировать аппаратные ресурсы. Это не значит, что они все низкоуровневые, но обратное — верно: практически все низкоуровневые языки — компилируемые.
• Когда процессоры становятся мощнее, именно компилируемые языки могут в должной мере задействовать их преимущества.
• Код после компилятора лучше оптимизируется под конкретные устройства, архитектуру «железа», эффективно задействует память и не тратит лишних ресурсов.
• Компилируемые языки обычно мощные и высокопроизводительные, поэтому на них пишут игры и другие серьезно нагруженные приложения.

Недостатки компилируемых языков

• В отличие от интерпретируемых языков, компилируемые не выполняют код сразу — его сначала нужно собрать, а это лишний шаг и лишнее время.
• Код сложнее в отладке: приходится заново компилировать его при каждом, даже небольшом изменении. Сам процесс поиска и устранения ошибок бывает довольно неочевидным.
• Машинный код жестко связан с архитектурой платформы и различается в зависимости от системы. Поэтому компилируемые языки — по умолчанию не кроссплатформенные. Для переноса языка на другую операционную систему понадобится писать новый компилятор. Правда, есть исключения в виде универсальных кросс-компиляторов, работающих под разными платформами, но они подходят не для всего.
• Для новичков проблема еще и в том, что компилируемые языки часто сложнее, чем интерпретируемые. Изучать их с нуля может быть тяжело, хотя и тут есть исключения.

Как пользоваться компилятором

Начинающий разработчик редко взаимодействует с компилятором напрямую. Он скачивает язык программирования, в том числе его компилятор, а потом работает в редакторе кода или IDE. Среда разработки сама запускает компилятор каждый раз, когда пользователь кликает на кнопку сборки или выполнения программы. Для этого его не нужно вызывать вручную. Иногда среда может сама включать в себя несколько компиляторов и выбирать подходящий в каждом случае.

Поэтому трогать компилятор на ранних этапах не имеет смысла — просто стоит помнить, что он есть, чтобы лучше разбираться в происходящем. Но он может пригодиться, если вы захотите скомпилировать что-то без среды разработки, например прямо в командной строке. Тогда его придется вызвать с помощью специальной команды — она своя для каждого решения.

У любого ПО есть документация, так что, если вы хотите узнать больше о компиляторе, которым пользуетесь, можете прочитать ее.

Узнайте больше об устройстве и работе языков программирования на курсах — получите новую профессию и станьте востребованным IT-специалистом.