Написание компилятора

Курс по разработке компиляторов традиционно считается итоговой дисциплиной для студентов компьютерных наук — и не случайно. Компиляторы являются инструментами, с которыми программисты сталкиваются практически ежедневно, независимо от предметной области. Реализация собственного компилятора затрагивает почти все аспекты информатики: от теоретических основ до прикладных техник. Глубокое понимание того, как работает компилятор, делает разработчика более зрелым и осознанным инженером.

При этом может показаться, что написание компилятора мало связано с типичными задачами в индустрии. В какой-то мере это так. Однако разработка компилятора — это прежде всего упражнение в управлении сложностью программного обеспечения. У компиляторов множество компонентов, они трудны в тестировании и отладке, и именно это делает их идеальной средой для изучения проблем, с которыми сталкиваются крупные реальные проекты.

Из практики: один из выпускников курса однажды рассказал, как помог предотвратить серьезную ошибку в системе медицинского страхования. На вопрос «Как тебе это удалось?» он ответил: «Я использовал то, что узнал, когда писал компилятор».

Целевая аудитория

Курс ориентирован на опытных программистов, интересующихся архитектурой программного обеспечения, обработкой данных, типовыми системами и устройством языков программирования. Лишь немногие разработчики получают шанс написать собственный компилятор, если только не изучают этот предмет в университете или аспирантуре. Поэтому курс помогает восполнить пробелы. Если у вас уже был опыт изучения компиляторов, курс позволит взглянуть на тему более практично.

Формат обучения

Курс полностью основан на проектной деятельности и ведётся в формате живого кодинга, без слайдов. Цель — не только научиться писать компилятор, но и понять, как подходить к этой задаче «с нуля». В рамках занятий участники обсуждают декомпозицию задач, техники, архитектурные решения, тестирование и другие инженерные аспекты. Остальное время посвящено индивидуальной разработке.

Примеры кода приводятся на Python, однако проект не требует сторонних библиотек или специфичных средств. Участники могут использовать любой язык программирования. Для желающих усложнить задачу написание компилятора станет хорошим способом освоить новый язык.

Требования к участникам

Для прохождения курса достаточно опыта программирования и базовых знаний структур данных. Специальная подготовка в области компиляторов не требуется, однако понимание ключевых концепций языков программирования (типы, функции, области видимости и т. д.) крайне желательно. Рекомендуется также иметь общее представление о текстовой обработке и архитектуре компьютеров. Книга Роберта Нистрома «Crafting Interpreters» может служить полезным фоновым материалом.

Содержание курса

В ходе курса участники создают компилятор для небольшого статически типизированного императивного языка Wabbit, генерирующий нативный код через LLVM. Проект включает следующие ключевые этапы:

• Модель данных. Представление программы в виде правильной структуры данных, а не текста. Это формирует основу для абстрактного синтаксического дерева (AST).
• Разбор (парсинг). Построение токенизатора и написание рекурсивного спуска для преобразования текста программы в AST.
• Преобразование программ. Реализация трансформаций, позволяющих сводить сложные конструкции языка к более простым и понимать базовые техники оптимизации.
• Проверка типов. Создание статического анализатора, обнаруживающего типовые и семантические ошибки. При наличии времени рассматриваются расширенные темы, такие как алгебраические типы.
• Генерация кода. Вывод LLVM IR и/или WebAssembly для получения исполняемых программ. Обсуждаются альтернативные цели генерации: байткод, виртуальные машины.

Главная цель курса — сформировать интуицию относительно устройства компиляторов и показать, как все компоненты работают вместе. Участники создают компилятор полностью с нуля, без применения готовых фреймворков.

Практические результаты

Хотя компиляторы редко пишут в повседневной работе, навыки, полученные в курсе, полезны во множестве областей:

• Работа с текстом и парсинг для анализа данных, протоколов, автоматизации.
• Манипулирование сложными структурами данных: деревьями, графами, рекурсивными алгоритмами.
• Тестирование сложных систем: юнит-тесты, интеграционные тесты, тестовые оракулы, контракты.
• Попрактиковать объектно-ориентированные приёмы проектирования.
• Освоение функциональных подходов: рекурсия, сопоставление с образцом, комбинаторы.
• Глубокое понимание семантики языков программирования, включая систему типов, модель памяти, правила вычислений, устройство стека вызовов.
• Общее расширение кругозора в компьютерных науках.

Возможно ли написать компилятор за 5 дней? Да, если сфокусироваться на практическом программировании. В отличие от университетского курса с теорией формальных грамматик, доказательствами и разбором LALR-алгоритмов, этот курс ориентирован на инженеров и акцентирует внимание на реальной разработке и тестировании.

За пять интенсивных дней участники пишут 2000–3000 строк кода — проект по сложности сопоставим с академическими курсами. И, как и в реальной жизни, итоговая версия наверняка будет содержать ошибки — это важная часть образовательного процесса.