你好,我是宫文学,一名技术创业者,现在是北京物演科技的CEO,很高兴在这里跟你见面。
我在IT领域里已经工作有20多年了。这其中,我个人比较感兴趣的,也是倾注时间精力最多的,是做基础平台类的软件,比如国内最早一批的BPM平台、BI平台,以及低代码/无代码开发平台(那时还没有这个名字)等。这些软件之所以会被称为平台,很重要的原因就是拥有很强的定制能力,比如流程定制、界面定制、业务逻辑定制,等等。而这些定制能力,依托的就是编译技术。
在前几年,我参与了一些与微服务有关的项目。我发现,前些年大家普遍关注那些技术问题,比如有状态的服务(Stateful Service)的横向扩展问题,在云原生、Serverless、FaaS等新技术满天飞的时代,不但没能被很好地解决,反而更恶化了。究其原因就是,状态管理还是被简单地交给数据库,而云计算的场景使得数据库的压力更大了,数据库原来在性能和扩展能力上的短板,就更加显著了。
而比较好的解决思路之一,就是大胆采用新的计算范式,发明新的计算机语言,所以我也有意想自己动手搞一下。
我从去年开始做设计,已经鼓捣了一阵了,采用了一些很前卫的理念,比如云原生的并发调度、基于Actor的数据管理等。总的目标,是要让开发云原生的、有状态的应用,像开发一个简单的单机应用一样容易。那我们就最好能把云架构和状态管理的细节给抽象掉,从而极大地降低成本、减少错误。而为编程提供更高的抽象层次,从来就是编译技术的职责。
Serverless和FaaS已经把无状态服务的架构细节透明掉了。但针对有状态的服务,目前还没有答案。对我而言,这是个有趣的课题。
在我比较熟悉的企业应用领域,ERP的鼻祖SAP、SaaS的鼻祖SalesForce,都用自己的语言开发应用,很可惜国内的企业软件厂商还没有做到这一点。而在云计算时代,设计这样一门语言绕不过去的一个问题,就是解决有状态服务的云化问题。我希望能为解决这个问题提供一个新工具。当然,这个工具必须是开源的。
正是因为给自己挖了这么大一个坑,也促使我更关心编译技术的各种前沿动态,也非常想把这些前沿的动态、理念,以及自己的一些实战经验都分享出来。
所以去年呢,我在极客时间上开了一门课程《编译原理之美》,帮你系统梳理了编译技术最核心的概念、理论和算法。不过在做第一季的过程中呢,我发现很多同学都跟我反馈:我确实理解了编译技术的相关原理、概念、算法等,但是有没有更直接的方式,能让我更加深入地把知识与实践相结合呢?
说到把编译技术的知识与实践相结合,无外乎就是解决以下问题:
类似的问题还有很多,但总结起来其实就是:真实世界的编译器,到底是怎么写出来的?
那弄明白了这个问题,到底对我们有什么帮助呢?
第一,研究这些语言的编译机制,能直接提高我们的技术水平。
一方面,深入了解自己使用的语言的编译器,会有助于你吃透这门语言的核心特性,更好地运用它,从而让自己向着专家级别的工程师进军。举个例子,国内某互联网公司的员工,就曾经向Oracle公司提交了HotSpot的高质量补丁,因为他们在工作中发现了JVM编译器的一些不足。那么,你是不是也有可能把一门语言吃得这么透呢?
另一方面,IT技术的进化速度是很快的,作为技术人,我们需要迅速跟上技术更迭的速度。而这些现代语言的编译器,往往就是整合了最前沿的技术。比如,Java的JIT编译器和JavaScript的V8编译器,它们都不约而同地采用了“Sea of Nodes”的IR来做优化,这是为什么呢?这种IR有什么优势呢?这些问题我们都需要迅速弄清楚。
第二,阅读语言编译器的源码,是高效学习编译原理的重要路径。
传统上,我们学习编译原理,总是要先学一大堆的理论和算法,理解起来非常困难,让人望而生畏。
这个方法本身没有错,因为我们学习任何知识,都要掌握其中的原理。不过,这样可能离实现一款实用的编译器还有相当的距离。
那么根据我的经验,学习编译原理的一个有效途径,就是阅读真实世界中编译器的源代码,跟踪它的执行过程,弄懂它的运行机制。因为只要你会写程序,就能读懂代码。既然能读懂代码,那为什么不直接去阅读编译器的源代码呢?在开源的时代,源代码就是一个巨大的知识宝库。面对这个宝库,我们为什么不进去尽情搜刮呢?想带走多少就带走多少,没人拦着。
当然,你可能会犯嘀咕:编译器的代码一般都比较难吧?以我的水平,能看懂吗?
是会有这个问题。当我们面对一大堆代码的时候,很容易迷路,抓不住其中的重点和核心逻辑。不过没关系,有我呢。在本课程中,我会给你带路,并把地图准备好,带你走完这次探险之旅。而当你确实把握了编译器的脉络以后,你对自己的技术自信心会提升一大截。这些计算机语言,就被你摘掉了神秘的面纱。
俗话说“读万卷书,行万里路”。如果说了解编译原理的基础理论和算法是读书的过程,那么探索真实世界里的编译器是什么样子,就是行路的过程了。根据我的体会,当你真正了解了身边的语言的编译器是怎样编写的之后,那些抽象的理论就会变得生动和具体,你也就会在编译技术领域里往前跨出一大步了。
那你可能要问了,在本课程中,我都选择了哪些语言的编译器呢?选择这些编译器的原因又是什么呢?
这次,我要带你解析的编译器还真不少,包括了Java编译器(javac)、Java的JIT编译器(Graal)、Python编译器(CPython)、JavaScript编译器(V8)、Julia语言的编译器、Go语言的编译器(gc),以及MySQL的编译器,并且在讲并行的时候,还涉及了Erlang的编译器。
我选择剖析这些语言的编译器,有三方面的原因:
看到这里,你可能会有所疑虑:有些语言我没用过,不怎么了解,怎么办?其实没关系。因为现代的高级语言,其实相似度很高。
一方面,对于不熟悉的语言,虽然你不能熟练地用它们来做项目,但是写一些基本的、试验性的程序,研究它的实现机制,是没有什么问题的。
另一方面,学习编译原理的人会练就一项基本功,那就是更容易掌握一门语言的本质。特别是我这一季的课程,就是要帮你成为钻到了铁扇公主肚子里的孙悟空。研究某一种语言的编译器,当然有助于你通过“捷径”去深入地理解它。
这门课程的目标,是要让你对现代语言的编译器的结构、所采用的算法以及设计上的权衡,都获得比较真切的认识。其最终结果是,如果要你使用编译技术来完成一个项目,你会心里非常有数,知道应该在什么地方使用什么技术。因为你不仅懂得原理,更有很多实际编译器的设计和实现的思路作为你的决策依据。
为了达到本课程的目标,我仔细规划了课程的内容,将其划分为预备知识篇、真实编译器解析篇和现代语言设计篇三部分。
在预备知识篇,我会简明扼要地帮你重温一下编译原理的知识体系,让你对这些关键概念的理解变得更清晰。磨刀不误砍柴工,你学完预备知识篇后,再去看各种语言编译器的源代码和相关文档时,至少不会被各种名词、术语搞晕,也能更好地建立具体实现跟原理之间的关联,能互相印证它们。
在真实编译器解析篇,我会带你研究语言编译器的源代码,跟踪它们的运行过程,分析编译过程的每一步是如何实现的,并对有特点的编译技术点加以分析和点评。这样,我们在研究了Java、Java JIT、Python、JavaScript、Julia、Go、MySQL这7个编译器以后,就相当于把编译原理印证了7遍。
在现代语言设计篇,我会带你分析和总结前面已经研究过的编译器,进一步提升你对相关编译技术的认知高度。学完这一模块以后,你对于如何设计编译器的前端、中端、后端、运行时,都会有比较全面的了解,知道如何在不同的技术路线之间做取舍。
好了,以上就是这一季课程的模块划分思路了。你会发现,这次的课程设计,除了以研究真实编译器为主要手段外,会更加致力于扩大你的知识版图、增加你的见识,达到“行万里路”的目的。
可以说,我在设计和组织这一季课程时,花了大量的时间准备。因此这一季课程的内容,不说是独一无二的,也差不多了。你在市面上很少能找到解析实际编译器的书籍和资料,这里面的很多内容,都是在我自己阅读源代码、跟踪源代码执行过程的基础上梳理出来的。
近些年,编译技术在全球范围内的进步速度很快。比如,你在学习Graal编译器的时候,你可以先去看看,市面上有多少篇围绕它的高质量论文。所以呢,作为老师,我觉得我有责任引导你去看到、理解并抓住这些技术前沿。
我也有一个感觉,在未来10年左右,中国在编译技术领域,也会逐步有拿得出手的作品出来,甚至会有我们独特的创新之处,就像我们当前在互联网、5G等领域中做到的一样。
虽然这个课程不可能涵盖编译技术领域所有的创新点,但我相信,你在其中投入的时间和精力是值得的。你通过我课程中教给你的方法,可以对你所使用的语言产生更加深入的认知,对编译器的内部结构和原理有清晰理解。最重要的是,对于如何采用编译技术来解决实际问题,你也会有能力做出正确的决策。
这样,这个课程就能起到抛砖引玉的作用,让我们能够成为大胆探索、勇于创新的群体的一份子。未来中国在编译技术的进步,就很可能有来自我们的贡献。我们一起加油!
最后,我还想正式认识一下你。你可以在留言区里做个自我介绍,和我聊聊,你目前学习编译原理的最大难点在哪?或者,你也可以聊聊你对编译原理都有哪些独特的思考和体验,欢迎在留言区和我交流讨论。
好了,让我们正式开始编译之旅吧!
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