اولین پانزده کامپایلر من: سفری به دنیای توسعه تدریجی
کامپایلرها اغلب بهعنوان یکی از پیچیدهترین و ترسناکترین قطعات نرمافزاری شناخته میشوند. آنها ابزارهای جادویی هستند که کدهای منبع قابلفهم برای انسان را به برنامههای قابلاجرا برای ماشین تبدیل میکنند. این تبدیل یک مرحلهای نیست، بلکه مجموعهای از گامهای (pass) درهمتنیده است. یک کامپایلر مدرن ممکن است بیش از ۲۰ عملیات مجزا انجام دهد—از تحلیل نحوی و بررسی نوع (type checking) گرفته تا بهینهسازیهای پیچیدهای مانند تبدیل closure و حذف کدهای مرده. تعداد زیاد این مراحل میتواند توسعه کامپایلر را وظیفهای دلهرهآور جلوه دهد که تنها برای عدهای معدود قابل انجام است.
اما اگر بتوانیم این تصور را تغییر دهیم چه؟ اگر ساختن یک کامپایلر بتواند تجربهای دسترسپذیر و حتی انگیزهبخش باشد؟ این ایده اصلی پشت رویکرد «نانوپَس» (nanopass) در ساخت کامپایلر است؛ روشی که اساساً نحوه تفکر ما درباره ساخت سیستمهای پیچیده را بازتعریف میکند.
فلسفه نانوپَس: گامهای کوچک و متعدد
تصور کنید در سال اول تحصیلات تکمیلی، وظیفه نوشتن یک کامپایلر به شما محول شود. حالا تصور کنید نه یکی، بلکه پانزده کامپایلر را در یک ترم بنویسید. این تجربه لیندسی کوپر در کلاس کامپایلر افسانهای کنت دیبویگ در دانشگاه ایندیانا بود. این دوره ساختاری منحصربهفرد داشت: هر هفته، دانشجویان بر پایه کار هفته قبل خود، گامهای جدیدی به بخش فرانتاند کامپایلرشان اضافه میکردند. آنها در هفته اول با کامپایلری برای زبانی شروع کردند که تفاوت چندانی با اسمبلی پرانتزبندیشده نداشت. تا پایان ترم، آنها یک کامپایلر با ۴۳ گام ساخته بودند که میتوانست زیرمجموعه قابلتوجهی از زبان برنامهنویسی Scheme را مدیریت کرده و آن را تا سطح اسمبلی x86-64 ترجمه کند.
این دستاورد چشمگیر به لطف چارچوب نانوپس ممکن شد. این رویکرد بهجای آنکه کامپایلر را یک موجودیت یکپارچه ببیند، آن را به تعداد زیادی گامهای بسیار کوچک و کاملاً تعریفشده تقسیم میکند. هر گام یک تبدیل واحد و مشخص را انجام میدهد، یک برنامه را در یک زبان میانی دریافت کرده و آن را به زبانی با سطح کمی پایینتر خروجی میدهد. آن را مانند یک خط مونتاژ پیشرفته در نظر بگیرید که در آن هر ایستگاه یک کار ساده را به بهترین شکل انجام میدهد و سپس محصول را به مرحله بعد منتقل میکند. این روش توسط یک چارچوب متنباز پشتیبانی میشود که تعریف این زبانهای میانی و گامهایی که بین آنها ترجمه میکنند را ساده میسازد.
جالب اینجاست که رویکرد نانوپس در ابتدا بهعنوان یک ابزار آموزشی معرفی شد، زیرا داوران مقاله علمی اولیه نگران بودند که این روش برای کامپایلرهای تجاری به اندازه کافی کارآمد نباشد. با این حال، این نگرانی بعدها رد شد، زمانی که از همین روش برای بازنویسی موفقیتآمیز کامپایلر با کارایی بالای Chez Scheme استفاده شد، که اکنون اکوسیستم زبان Racket را قدرت میبخشد.
توسعه از بکاند به فرانتاند: لذت داشتن یک محصول کارا
یکی از جنبههای کلیدی موفقیت این دوره، استراتژی توسعه «از بکاند به فرانتاند» بود. بهجای شروع از تجزیه زبان منبع (فرانتاند)، دانشجویان از انتها شروع میکردند: تولید کد. در همان هفته اول، آنها یک کامپایلر کامل و کارا داشتند. البته، این کامپایلر فقط یک زبان بسیار ساده و شبیه به اسمبلی را کامپایل میکرد، اما یک فایل اجرایی واقعی تولید میکرد. این امر حس موفقیت آنی و یک نتیجه ملموس را فراهم میکرد.
هر هفته بعد، شامل افزودن یک لایه جدید از انتزاع بود که زبان ورودی کامپایلر را از ماشین دورتر و به Scheme نزدیکتر میکرد. این فرآیند تدریجی و از عقب به جلو، در تضاد کامل با چرخههای توسعه سنتی قرار دارد که اغلب مانند یک فرآیند طولانی و فرسایشی بدون هیچ محصول قابلاجرایی تا انتها احساس میشود. دریافت آن حس رضایت هفتگی—دیدن اینکه کدتان اسمبل و اجرا میشود—فوقالعاده انگیزهبخش بود و کل فرآیند را قابلمدیریت میکرد.
از تمرین آکادمیک تا تأثیر در دنیای واقعی
درسهایی که از این تجربه آموخته شد، بسیار فراتر از کلاس درس بود. برای نویسنده، این دوره مهندسی کامپایلر را رمزگشایی کرد. آن را از یک غول غیرقابلدسترس به مجموعهای از مسائل قابلفهم و قابلحل تبدیل کرد. در حالی که مهارتهای خاصی که آموخته بود، مانند تخصیص رجیستر برای کامپایلر Scheme، مستقیماً به کار بعدی او روی کامپایلر Rust در موزیلا (که از LLVM برای بکاند خود استفاده میکند) منتقل نشد، اعتمادی که به دست آورد بسیار ارزشمند بود.
ساختن موفقیتآمیز یک کامپایلر پیچیده از ابتدا، این باور را در او ایجاد کرد که میتواند در پروژهای به بلندپروازی Rust مشارکت کند. این یک گواهی قدرتمند بر این است که چگونه رویکرد آموزشی صحیح میتواند یک مسیر شغلی را شکل دهد. پیام اصلی جهانی است: با شکستن وظایف عظیم به مجموعهای از گامهای کوچک، تدریجی و رضایتبخش، میتوانیم هر حوزهای، هرچقدر هم که پیچیده باشد، را دسترسپذیر و قابلفتح کنیم.