你好，我是宫文学。
到目前为止，你就已经学完了这门课程中前两个模块的所有内容了。在第一个模块“预备知识篇”，我带你梳理了编译原理的关键概念、算法等核心知识点，帮你建立了一个直观的编译原理基础知识体系；在第二个模块“真实编译器解析篇”，我带你探究了7个真实世界的编译器，让你对编译器所实际采用的各种编译技术都有所涉猎。那么在接下来的第三个模块，我会继续带你朝着提高编译原理实战能力的目标前进。这一次，我们从计算机语言设计的高度，来印证一下编译原理的核心知识点。
对于一门完整的语言来说，编译器只是其中的一部分。它通常还有两个重要的组成部分：一个是运行时，包括内存管理、并发机制、解释器等模块；还有一个是标准库，包含了一些标准的功能，如算术计算、字符串处理、文件读写，等等。
再进一步来看，我们在实现一门语言的时候，首先要做的，就是确定这门语言所要解决的问题是什么，也就是需求问题；其次，针对需要解决的问题，我们要选择合适的技术方案，而这些技术方案正是分别由编译器、运行时和标准库去实现的。
所以，从计算机语言设计的高度来印证编译原理知识，我们也能更容易理解编译器的任务，更容易理解它是如何跟运行时环境去做配合的，这也会让你进一步掌握编译技术。
好了，那接下来就一起来看看，到底用什么样的方式，我们才能真正理解计算机语言的设计思路。
首先，我们来聊一聊实现一门计算机语言的关键因素：需求和设计。
我们学习编译原理的一个重要的目标，就是能够实现一门计算机语言。这种语言可能是你熟悉的某些高级语言，也可能是某个领域、为了解决某个具体问题而设计的DSL。就像我们在第二个模块中见到的SQL，以及编译器在内部实现时用到的一些DSL，如Graal生成LIR时的模式匹配规则、Python编译器中的ASDL解析器，还有Go语言编译器中IR的重写规则等。
那么要如何实现一门优秀的语言呢？我们都知道，要实现一个软件，有两个因素是最重要的，一个是需求，一个是设计。计算机语言作为一种软件，具有清晰的需求和良好的设计，当然也是至关重要的。
我先来说说需求问题，也就是计算机语言要解决的问题。
这里你要先明确一件事，如果需求不清晰、目标不明确，那么想要实现这门语言其实是很难成功的。通常来说，我们不能指望任何一种语言是全能的，让它擅长解决所有类型的问题。所以，每一门语言都有其所要解决的针对性问题。
举个例子，JavaScript如果单从设计的角度来看，有很多细节值得推敲，有不少的“坑”，比如null、undefined和NaN几个值就很令人困惑，你知道“null==undefined”的值是true还是false吗？但是它所能解决的问题也非常清晰，就是作为浏览器的脚本语言，提供Web的交互功能。在这个方面，它比同时期诞生的其他竞争技术，如ActiveX和Java Applet，都更具优势，所以它才能胜出。
历史上的计算机语言，都是像JavaScript那样，在满足了那个时代的某个需求以后而流行起来的。其中，根据“硅谷创业之父”保罗·格雷厄姆（Paul Graham）在《黑客与画家》中的说法，这些语言往往是一个流行的系统的脚本。比如说，C语言是Unix系统的脚本，COBOL是大型机的脚本，SQL是数据库系统的脚本，JavaScript、Java和C#都是浏览器的脚本，Swift和Objective-C是苹果系统的脚本，Kotlin是Android的脚本。让一门语言成为某个流行的技术系统的脚本，为这个生态提供编程支持，就是一种定位很清晰的需求。
好，明确了语言的需求以后，我们再来说说设计问题。
设计是实现计算机语言这种软件所要做的技术选择。你已经看到，我们研究的不同语言，其实现技术都各有特点，分别服务于该语言的需求问题，或者说设计目标。
我还是拿JavaScript来举例子。JavaScript被设计成了一门解释执行的语言，这样的话，它就能很方便地嵌入到HTML文本中，随着HTML下载和执行，并且支持不同的客户端操作系统和浏览器平台。而如果是需要静态编译的语言，就没有这么方便。
再进一步，由于HTML下载完毕后，JavaScript就要马上执行，从而也对JavaScript的编译速度有了更高的要求，所以我们才会看到V8里面的那些有利于快速解析的技术，比如通过查表做词法分析、懒解析等。
另外，因为JavaScript早期只是在浏览器里做一些比较简单的工作，所以它一开始没有设计并发计算的能力。还有，由于每个页面运行的JavaScript都是单独的，并且在页面退出时就可以收回内存，因此JavaScript的垃圾收集功能也不需要太复杂。
作为对比，Go语言的设计主要是用来编写服务端程序的，那么它的关键特性也是与这个定位相适应。
那么总结起来，我们要想成功地实现一门语言，要把握两个要点：第一，要弄清楚该语言的需求，也就是它要去解决的问题；第二，要确定合适的技术方案，来更好地解决它要面对的问题。
计算机语言的设计会涉及到比较多的内容，为了防止你在学习时抓不到重点，我在第三个模块里，挑了一些重点的内容来做讲解，比如前面提到的垃圾收集的特性等。我会以第二个模块所研究的多门语言和编译器作为素材，一起探讨一下，各门语言都是采用了什么样的技术方案来满足各自的设计目标的，从而让你对计算机语言设计所考虑的因素、编译技术如何跟其他相关技术打配合，形成一个宏观的认识。
这个模块的内容，我根据计算机语言的组成和设计中的关键点，将其分成了三个部分。
第一部分，是对各门语言的编译器的前端、中端和后端技术做一下对比和总结。
这样，通过梳理和总结，我们就可以找出各种编译器之间的异同点。对于其共同的部分，我们可以看作是一些最佳实践，你在自己的项目中可以大胆地采用；而有差异的部分，则往往是某种编译器为了实现该语言的设计目标而采用的技术策略，你可以去体会各门语言是如何做取舍的，这样也能变成你自己的经验储备。
第二部分，主要是对语言的运行时和标准库的实现技术做一个解析。
我们说过，一门语言要包括编译器、运行时和标准库。在学习第二个模块的时候，你应该已经有了一些体会，你能发现编译器的很多特性是跟语言的运行时密切相关的。比如，Python有自己独特的对象体系的设计，那么Python的字节码就体现了对这些对象的操作，字节码中的操作数都是对象的引用。
那么在这一部分，我就分为了几个话题来进行讲解：
第三部分，是计算机语言设计上的4个高级话题。
第一，是元编程技术。元编程技术是一种对语言做扩展的技术，相当于能够定制一门语言，从而更好地解决特定领域的问题。Java语言的注解功能、Python的对象体系的设计，都体现了元编程功能。而Julia语言，更是集成了Lisp语言在元编程方面的强大能力。因此我会带你了解一下这些元编程技术的具体实现机制和特点，便于你去采纳和做好取舍。
第二，是泛型编程技术。泛型，或者说参数化类型，大大增强了现代语言的类型体系，使得很多计算逻辑的表达变得更简洁。最典型的应用就是容器类型，比如列表、树什么的，采用泛型技术实现的容器类型，能够方便地保存各种数据类型。像Java、C++和Julia等语言都支持泛型机制，但它们各自实现的技术又有所不同。我会带你了解这些不同实现技术背后的原因，以及各自的特点。
第三，是面向对象语言的实现机制。面向对象特性是当前很多主流语言都支持的特性。那么要在编译器和运行时上做哪些工作，来支持面向对象的特性呢？对象在内存里的表示都有哪些不同的方式？如何实现继承和多态的特性？为什么Java支持基础数据类型和对象类型，而有些语言中所有的数据都是对象？要在编译技术上做哪些工作来支持纯面向对象特性？这些问题，我会花一讲的时间来带你分析清楚，让你理解面向对象语言的底层机制。
第四，是函数式编程语言的实现机制。函数式编程这个范式出现得很早，不少人可能不太了解或者不太关注它，但最近几年出现了复兴的趋势。像Java等面向对象语言，也开始加入对函数式编程机制的支持。在第三个模块中，我会带你分析函数式编程的关键特征，比如函数作为一等公民、不变性等，并会一起探讨函数式编程语言实现上的一些关键技术，比如函数类型的内部表示、针对函数式编程特有的优化算法等，让你真正理解函数式编程语言的底层机制。
该模块的最后一讲，也是本课程的最后一讲，是对我们所学知识的一个综合检验。这个检验的题目，就是解析方舟编译器。
方舟编译器，应该是第一个引起国内IT界广泛关注的编译器。俗话说，外行看热闹，内行看门道。做一个编译器，到底有哪些关键的技术点？它们在方舟编译器里是如何体现的？我们在学习了编译原理的核心基础知识，在考察了多个编译器之后，应该能够有一定的能力去考察方舟编译器了。这也是学以致用、紧密结合实际的表现。通过这样的分析，你能了解到中国编译技术崛起的趋势，甚至还可能会思考如何参与到这个趋势中来。这一讲，我希望同学们都能发表自己的看法，而我的看法呢，只是一家之言，你作为参考就好了。
总结一下。咱们课程的名称是《编译原理实战课》，而最体现实战精神的，莫过于去实现一门计算机语言了。而在第三个模块，我就会带你解析实现一门计算机语言所要考虑的那些关键技术，并且通过学习，你也能够根据语言的设计目标来选择合适的技术方案。
从计算机语言设计的高度出发，这个模块会带你对编译原理形成更全面的认知，从而提高你把编译原理用于实战的能力。
评论