رفتن به مطلب
جامعه‌ی برنامه‌نویسان مُدرن ایران
  • معرفی کامپایلر و انواع آن


    کامبیز اسدزاده

    با سلام،

    یا توجه به مقاله‌ی ذکر شده زیر در ارتباط با انتخاب زبان برنامه‌نویسی و تفاوت عمده‌ی زبان‌های کامپایلری و مفسری لازم است تعاریفی در رابطه با جزئیات زبان‌های کامپایلری که خود تفاوت‌هایی را شامل می‌شوند بپردازیم. در صورتی که مقاله‌ی زیر را مطالعه نکرده‌اید پیشنهاد می‌کنیم قبل از خواندن این مقاله آن را مرور کنید.

    در این مقاله شما تفاوت عمده‌ی آن‌ها را خواهید آموخت که شامل توضیحات کامپایلر و روش‌های کامپایل می‌باشد.

    کامپایلر چیست؟

    کامپایلر به ابزار (برنامه یا مجموعه‌ای از برنامه‌ها) گفته می‌شود، که متنِ نوشته شده‌ی برنامه‌نویسان (در قالب کُد) را که از سطح بالاتر (زبان مبدأ) برخوردار است و درک آن برای انسان مُیسر می‌باشد، دریافت کرده و آن را به زبان سطح پایین‌تر (زبان مقصد) مانند اسمبلی یا کُد ماشین ترجمه می‌کند.

    زبان‌های کامپایلری در دو دسته‌‌ی بومی (Native) و مجازی (Virtual)

    • کامپایل از نوع بومی روشی است که کد‌های نوشته شده‌ را به صورت مستقیم به کُد ماشین ترجمه می‌کند.
    • کامپایل از نوع مجازی روشی است که کد‌های نوشته شده‌ را ابتدا به کُدمیانی (کد‌مشترک یا همان بایت کُد - Byte Code) در جاوا و زبان میانی (CIL) در Net. تبدیل می‌کند که خودِ آن شبیه به کُد ماشین است. در این فرایند کد مربوطه توسط کامپایلر مخصوص یعنی JIT (کامپایلری از نوع Just-In-Time) در زمان اجرا توسط سیستم‌عامل، به دستورالعمل‌های قابل فهم برای پردازنده‌ تفسیر و اجرا می‌شود (که این فرایند شبیه به فرایند عملکرد اجرایی مفسر‌ها است).
    • زبان‌های بومی (زبان‌هایی که کد‌ آن‌ها به کد ماشین به صورت مستقیم توسط کامپایلر قبل از اجرای آن‌ها توسط سیستم‌عامل، ترجمه می‌شوند که به اصطلاح ahead-of-time (جلوتر از زمان) یا همان AOT نام دارد) مانند: C, C++, Rust, Haskell, Clean, Swift, Go, Fortran, D
    • زبان‌های مجازی (زبان‌هایی که کد آن‌ها توسط یک رابط میانی به زبان مشترک ترجمه می‌شود) : Java و خانواده‌ی دات‌نت مانند C#, Visual Basic.Net و C++/CLR
    • نکته قابل توجه در مورد C++/CLR آن است که این نوع استاندارد در مورد سی‌پلاس‌پلاس بر پایه‌ی چهارچوب دات‌نت است. در این نسخه از زبان شما با محدودیت‌های بسیاری مواجه بوده و به ویژگی‌ها و کیفیت نهایی برنامه‌های تولید شده‌ی واقعی در قالب Native محروم خواهید بود.

    روش کامپایل و و انواع آن‌ها

    کامپایلر‌ها به صورت بومی (Native) و کراس (Cross) تقسیم بندی می‌شوند. به طور کلی آن دسته از کامپایلر‌ها که کد‌های باینری را تولید می‌کنند از نوع محلی یا همان Native نام دارند؛ در واقع به هر کامپایلی که بر روی سیستم‌های معماری x86 نوع x86، بر روی سیستم‌های x86-64 نوع x86-64 و بر روی سیستم‌های PowerPC نوع powerpc و بر روی arm نوع arm را تولید  کند کامپایل بومی می‌گویند. چرا که تنها برای یک پلتفرمِ هدف کد‌های ماشین رو تولید خواهد کرد (در صورت نیاز برای اجرا بر روی پلتفرم‌های دیگر باید آن را بر روی پلتفرم متناسب با آن پیکربندی کنید) در واقع یک وابستگی به سخت‌افزار وجود خواهد داشت که کد‌های شما بر اساس آن تولید می‌شود.

    اما در رابطه با کامپایلر‌ها از نوع Cross یا به اصطلاح عبوری وابستگی خاصی به سخت‌افزار ندارند، در این روش کافی است سخت‌افزار، پلتفرم (معماری و سیستم‌عامل) مورد نظر را یک بار برای آن معرفی کرده و اقدام به کامپایل کنید. کامپایل به صورت کراس کد‌ها را به برنامه‌ی قابل اجرا برای بیشتر از یک پلتفرم فراهم می‌کند. برای مثال در صورتی که بر روی پلتفرم ویندوز هستید می‌توانید برنامه‌ی نوشته شده‌ی خود را برای پلتفرم اندروید یا آی‌او‌اس که برای arm هستند ارائه دهید.

    اولین کامپایلری که این ویژگی را پشتیبانی می‌کند GCC است. این امکان وجود دارد که شما کد‌های نوشته شده‌ی خود را بر روی پلتفرم میزبان برای پلتفرم‌های هدف (مقصد) کامپایل کنید. البته جدیداً کامپالر کلَنگ (Clang) به عنوان یکی از بهترین انتخاب بین برنامه‌نویسان ++C جهت کراس‌کامپایل مطرح می‌شود.

    کامپایلر‌های پیشنهادی:

    • GCC
    • Clang
    • MinGW
    • MSVC

    مزایا و معایب

    زبان‌های کامپایلری از نوع کلاس بومی (Native) از سرعت بسیار بالایی برخوردار هستند (دلیل آن ترجمه‌ی مستقیم کد‌ها به کد ماشین است) در مقابل بزرگترین مزیتی که زبان‌های نوع کلاس مجازی (Byte Code) دارند به خاطر وجود یک برنامه‌ی واسط جهت شبیه‌سازی کد‌های ترجمه شده به کد قابل فهم برای پردازنده، اجرا شدن آن‌ها در هر پلتفرم بدون کامپایل مجدد امکان پذیر است که البته این ویژگی خود نیازمند نصب بودن JVM بر روی پلتفرم مربوطه می‌باشد. در نوع بومی برای اجرا در هر پلتفرم لازم است سورس کد‌ها را برای پلتفرم مقصد کامپایل کنید که نیازی به وجود ماشین مجازی مانند JVM یا برنامه‌ی خاصی ندارد.

     

    کد‌های میانی تحت کامپایلِ درجا JIT : Just In Time

    همانطور اشاره شد زبان‌های برنامه‌نویسی Java و خانواده‌ی Net. به ترتیب توسط Java Byte Code بر روی ماشین مجازی جاوا JVM و CIL : Common Intermediate Language بر روی زیر ساخت CLI : Common Language Infrastructure از هم جدا می‌شوند. در نظر داشته باشید CIL نام تغییر یافته‌ی MSIL می‌باشد.

    نقل قول

    نکته: JIT به عنوان یک کامپایلر مجازی شناخته می‌شود.

    معنای ماشین مجازی CLR و JVM

    جی‌وی‌ام یا همان JVM : Java virtual machine نوعی ماشین مجازی (واسطی) است که وظیفه اجرای کد جاوا را برعهده دارد. زمانی که در مورد برنامه‌های نوشته شده توسط جاوا صحبت می‌کنیم، حتما باید JVM بر روی سیستم شما نصب باشد تا قابلیت اجرا شدن برنامه‌های تحت جاوا را داشته باشد.

    سی‌اِل‌آر یا همان CLR : Common Language Runtime نوعی ماشین مجازی (واسطی) است که کد‌های مربوط به CIL را برای سیستم تفسیر و اجرا می‌کند. البته تفاوت‌هایی در خروجی این کد با کد‌های جاوا وجود دارد که در آن زبان IL به عنوان یک زبان شبیه به زبان ماشین مانند اسمبلی (assembly) می‌باشد. در CLR کد‌های تولید شده‌ی بایت‌کد، کمتر از دستورالعمل‌ها و ابر‌داده‌های JVM است.

    تفاوت اصلی CLR و JVM

    تفاوت اصلی JVM و CLR در این است که JVM جهت اجرای کد‌های جاوا استفاده می‌شود و CLR مدیریت برنامه‌های اجرایی دات‌نت را مدیریت می‌کند. به طور کلی، JVM امکان اجرای کد‌های کامپایل شده‌‌ی جاوا را فراهم می‌کند که در بسیاری از سیستم‌عامل‌ها و سخت‌افزار‌ها موجود است. از سوی دیگر، CLR یک بستر (محیطی) را برای اجرای برنامه‌های نوشته شده در چهارچوب دات‌نت همراه با امکان مدیریت حافظه، مدیریت خطاها، امنیت و غیره را فراهم می‌کند.

    نقل قول

    نکته: CLR بستری برای اجرای برنامه‌های نوشته شده تحت چهارچوب Net. است.

    نسل جدید JIT برای دات‌نت (نام کد RyuJIT) به لُطف Net. و نسخه‌ی Net Core.

    نام RuyJIT کُد شناسه از کامپایلر Net. است که وظیفه‌ی آن ترجمه‌ی کد‌های #C به بایت‌کُد IL است که RuyJIT کد‌های بایت‌کُد از نوع IL را به کُد ماشین ترجمه می‌کند.

    همانطور که مشخص است، جهان به سمت محاسبات ۶۴ بیتی حرکت می‌کند، اما باید در نظر داشته باشید سرعت برنامه‌های ۶۴ بیتی همیشه بیشتر از ۳۲ بیتی‌ها نمی‌باشد! برای مثال نمونه‌ای از آن را می‌توان به کامپایلر JIT برای دات‌نت مثال زد؛ تغییرات و بهبود‌هایی که در نسل بعدی کامپایلر JIT بر روی Net Core. صورت گرفته است نسخه‌ی ۶۴ بیتی آن است که اجازه می‌دهد برنامه‌ها دو برابر سریعتر از نسخه‌ی قبلی خود در دات‌نِت اجرا شود. این امر باعث می‌شود که نظرات شما را در مورد این نسخه از کامپایلر دات‌نت تغییر دهد.

    همانطور که به نظر می‌رسد، معماری ۳۲ بیتی x86 کامپیوتر‌ها که از زمان‌های ایجاد تا به کنون در نوع خود بسیار عالی بوده‌اند، اما مشکل بزرگی که دارند متاسفانه پشتیبانی تا حداکثر ۴ گیگابایت حافظه‌ی اصلی (Ram) است. با توجه به رُشد روز افزون معماری ۶۴ بیتی x64 نیاز به حافظه‌های بیش از ۴ گیگابایت جدی شد و امروزه ما می‌بینیم که اکثر سخت‌افزار‌ها و حتی دستگاه‌های موبایل نیز مجهز به حافظه‌های بیش از ۴ گیگابایت هستند. برای بهره‌مندی از قابلیت‌های معماری جدید Net Core. کامپایلر خود را با بهینه‌سازی‌های چشمگیری ارائه داده است که می‌تواند تا دو برابر سریعتر از نسل قبلی خود عمل کند.

    نقل قول

    قابل توجه است که هر چهار معماری x86 ،x64 ،ARM32 ،ARM64 در این نسل از کامپایلر پشتیبانی می‌شوند.

    در نظر داشته باشید که، معماری RyuJIT تقریبا نه سال پیش طراحی شده است و کارهای اجرایی از هفت سال پیش آغاز شده است. RyuJIT به عنوان یک کامپایلر تکامل یافته از  JIT32 موجود (که از x86 و ARM32 پشتیبانی می‌کند) اجرا شد و به تدریج جایگزین بسیاری از بخش‌های "بَک‌اِند" آن کامپایلر با یک تخصیص دهنده‌ی رجیستر جدید و تولید کننده‌ی کد همراه با برخی از ویژگی‌های جدید و بهبود‌ یافته در "فرانت‌اِند" برای بهینه سازی در اجرا معرفی شده است. در طول این انتقال به کد‌های نسل جدید معماری، سعی بر این بوده است که کد‌های نسل قبل را در کنار نسل جدید نگه داشته شود. انجام این کار‌ها مزایایی داشته است مانند حفظ هزینه‌ها و باز نویسی‌های بسیار! اما مسلماً هزینه‌هایی هم دربر داشته است که کمترین آن‌ها سردرگم بودن توسعه‌دهندگان در باره‌ی آینده‌ی Jit بوده است. در حال حاضر عملکرد RyuJIT برای کد‌های قدیمی بسیار خوب بوده است و سرانجام وقت آن رسیده است که کد‌های نسل قبل در JIT در آینده‌ای نزدیک تمرکز شود.

    نسل جدید از JIT با تمرکز بر پشتیبانی از معماری ۶۴ بیتی با نام RyuJIT سریعتر از JIT64 است.

    نقل قول

    سرعت اجرای برنامه‌ها در JIT/CLR بسیار بهینه و سریعتر از نسل قبل است، بنابراین ساختار آن نیز با توجه به مدیریت آن توسط Net. بهینه تر و سریعتر از اجرای برنامه‌های جاوا یا همان ساختار بایت‌کُد است.

    زبان‌هایی که از JIT/CLR پشتیبانی می‌کنند

    زبان‌های اصلی این کامپایلر C#, VB.Net و C++ Managed یا همان C++/CLR می‌باشند.

    نکته: سی++ در این نسخه تغییراتی از جانب مایکروسافت داشته است و از نسخه‌ی استاندارد آن کمی متفاوت است. برای مثال مدیریت حافظه به صورت خودکار و همچنین تغییرات جزئی از قبیل سینتکس را دارا می‌باشد.

     

    ساختار برنامه‌های زبان کامپایلری از نوع بومی (Native) در زبان‌های مادر C و ++C

    در صورتی که تمایل دارید در رابطه با جزئیات ساختار برنامه‌های سریعترین زبان‌‌های برنامه‌نویسی یعنی C و ++C مطلع شوید توصیه می‌شود مقاله‌ی مرتبط با آن را که در زیر آمده است مطلعه کنید.

     

     

    ویرایش شده در توسط کامبیز اسدزاده

    • ترکوندی! 3
    • تشکر شده 1
    • سردرگم 1


    بازخورد کاربر

    نظرهای پیشنهاد شده

    هیچ دیدگاهی برای نمایش وجود دارد.


  • کاربران آنلاین در این صفحه   0 کاربر

    هیچ کاربر عضوی،در حال مشاهده این صفحه نیست.

×