为什么要学习编译器课程?

所有优秀的计算机科学学院都提供了编译器课程,但是相对比较少的学校把它作为本科课程的必修部分。这篇文章回答了这个问题:为什么需要学习这门课?即使你从没打算过编写编译器。

我写这篇文章的其中一个原因是,尽管我在读本科时很喜欢编译器课程,但是我几乎看不到它的实际作用。大多数资料看起来要么简单易懂,要么很深奥(事实上,我找到的大部分编译器资料都是很枯燥的。)无论怎样,我用了几年时间总结了为什么这类课程会如此有用的实际原因。原因如下。

分析器和解析器无处不在

严谨的程序员不得不去了解分析器和解析器,因为我们不会总是只写一些小程序。每次你写一个可扩展的程序或处理一种新类型的输入文件,你都需要了解它们(分析器和解析器)。格林斯潘第十定律:

“任何C或Fortran程序复杂到一定程度之后,都会包含一个临时的、只有一半功能的、不完全符合规格的、充满bug的、运行速度很慢的Common Lisp实现。”

我们花费如此多的时间在这些事情上,我们可以使用一次性的小技巧来做这些事情的每一个,或者我们利用60年的理论和实际知识去解决问题,并把它做对。重要的是:你应该什么时候借用已存在的代码或者使用已存在的工具?理论知识在什么时候可以提供帮助?哪些语言设计原则可以运用在我们日常使用的小语言?

你能更好地编写正确的代码

编译器应该把输入的语言正确地翻译成合法的程序。为了达到这个目标,编译器开发者必须了解整个输入语言,包括一些普通程序员没见过的罕见问题。这个理解过程是通往程序语言本质的重要一步,它和我们平时写代码时所看到的不一样。举个例子,我在学习了顺序点(sequence points),未定义行为(undefined behaviors),和常用的算术转换的细节后,完全改变了我对C语言的理解。C编译器编写者已经掌握这些概念了,但大多数初级和中级程序员都不知道这些概念。毫不夸张地说,一旦你知道语言的本质,你会以不同地方式和更准确地思考这个语言。这适用于任何的语言,特别是像C和C++这些语义不清晰的语言。

你可以编写更快的代码

通过了解编译器,你可以很清晰地知道哪些优化是编译器可以优化的,和哪些是编译器不能进行优化的,无论他们看起来是多么的合理和简单。你将会学到哪类代码通常会建造最佳代码块,为什么会这样和这些代码做了什么。你会知道为什么一些代码可以拥有更好的性能,比如使用一半寄存器组缓存滤波系数一半寄存器组缓存样本的FIR滤波器,它和使用普通优化器实现的不一样。你和你喜欢的编译器是一个能创建快速代码的团队,你可以使用它高效地工作,或者使用提前优化等无意义的技巧来修改它。

其次,编译器后端是与目标架构密切关联的,当然,现代的架构都尽量提供汇编程序员友好的平台,而且离着不远了。通过理解编译器后端和它为什么是这样产生代码的,你会对计算机架构的操作有更好的理解。

总结

编译器(理论上)有三部分:

  • 语言相关的前端(分析,类型检测)
  • 与语言和目标无关中端(优化))
  • 目标相关的后端(生成机器代码)

在这篇文章里,我已经试图说服你们,理解编译器的每一部分都是有价值的–即使你将来不会实现或者修改它们。

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关于作者:周进林

茫茫大海中的一枚程序猿,为了进化为一个高富帅人类而努力着。关注java、python、linux、vim等(新浪微博:@酒肉和尚--进林) 个人主页 · 我的文章 · 19 ·  

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