تصميم وتنفيذ لغات البرمجة

تُنشأ لغات البرمجة عادةً من خلال تصميم شكل لتمثيل برنامج حاسوبي، وكتابة تطبيق لهذا المفهوم المُطوَّر، ^{[ 1 ]} وعادةً ما يكون مُفسِّراً أو مُجمِّعاً . صُمِّمت المُفسِّرات لقراءة البرامج، عادةً بصيغة نصية ما، وتنفيذ إجراءات بناءً على ما تقرأه، بينما تُحوِّل المُجمِّعات الشفرة إلى شكل أدنى مستوى، مثل الشفرة التنفيذية. ^{[ 2 ]}

في تصميم لغات البرمجة، توجد عوامل عديدة يجب مراعاتها. قد تكون بعض هذه العوامل متعارضة (مثل الأمان مقابل السرعة). قد يكون من الضروري النظر فيما إذا كانت لغة البرمجة ستؤدي أداءً أفضل عند تفسيرها أو ترجمتها، وما إذا كان ينبغي أن تكون ذات كتابة ديناميكية أو ثابتة، وما إذا كان سيتم تضمين الوراثة، والبنية العامة للغة. ^{[ 3 ]} يمكن تحديد العديد من العوامل المتعلقة بتصميم اللغة بناءً على أهدافها. من المهم مراعاة الجمهور المستهدف للغة، وخصائصها الفريدة، والغرض منها. ^{[ 4 ]} من الممارسات الجيدة النظر في ما تفتقر إليه اللغات الموجودة، أو ما يصعب استخدامها، للتأكد من أن اللغة تخدم غرضًا محددًا. ^{[ 4 ]}

اقترح العديد من الخبراء مبادئ تصميم مفيدة:

• في الفقرة الأخيرة من مقال نُشر عام 1972، قدم توني هوار بعض النصائح العامة لأي مشروع برمجي: ^{[ 5 ]}

  لذا، نصيحتي لمصممي ومطوري برامج المستقبل باختصار: لا تُقرروا ما ستفعلونه بالضبط حتى تعرفوا كيف تفعلونه؛ ولا تُقرروا كيف تفعلونه حتى تُقيّموا خطتكم وفقًا لجميع معايير الجودة المطلوبة. وإذا لم تستطيعوا فعل ذلك، فبسطوا تصميمكم حتى تتمكنوا من ذلك.

• في ندوة SIGPLAN عام 1973، ناقش توني هوار جوانب لغوية مختلفة بتفصيلٍ ما. ^{[ 6 ]} كما حدد عددًا من أوجه القصور في لغات البرمجة السائدة آنذاك.

  "لغة البرمجة هي أداة ينبغي أن تساعد المبرمج في أصعب جوانب فنه، وهي تصميم البرامج، والتوثيق، وتصحيح الأخطاء."

  "يمكن تلخيص المعايير الموضوعية لتصميم اللغة الجيد في خمس عبارات رئيسية: البساطة، والأمان، والترجمة السريعة، وكفاءة رمز الكائن، وسهولة القراءة."

  من غير المعقول إجراء فحوصات أمنية معقدة أثناء عمليات تصحيح الأخطاء، في حين لا توجد ثقة في النتائج، ثم إزالتها في عمليات الإنتاج، حيث قد تكون النتيجة الخاطئة مكلفة أو كارثية. ماذا سنقول عن هاوٍ للإبحار يرتدي سترة النجاة أثناء التدريب على اليابسة، لكنه يخلعها بمجرد ذهابه إلى البحر؟

• في مؤتمر الاتحاد الدولي لمعالجة المعلومات (IFIP) عام 1974، قدم نيكلاوس ويرث ، مصمم لغة باسكال ، ورقة بحثية بعنوان "حول تصميم لغات البرمجة". ^{[ 7 ]} سرد ويرث عددًا من الاقتراحات المتنافسة، أبرزها أن تكون اللغة سهلة التعلم والاستخدام، وأن تكون قابلة للاستخدام دون إضافة ميزات جديدة، وأن يُنتج المترجم شفرة فعالة، وأن يكون المترجم سريعًا، وأن تكون اللغة متوافقة مع المكتبات، والنظام الذي تعمل عليه، والبرامج المكتوبة بلغات أخرى.

تتضمن العديد من لغات البرمجة ميزات تصميمية تهدف إلى تسهيل تنفيذ الإصدار الأولي على الأقل من المترجم أو المفسر. على سبيل المثال، تم تصميم لغات باسكال وفورث والعديد من لغات التجميع خصيصًا لدعم الترجمة في خطوة واحدة .

غالبًا ما تُصمَّم لغات البرمجة الجديدة لمعالجة المشاكل (المُتَوَصَّلة) في لغات البرمجة السابقة، وذلك عادةً بإضافة ميزات (مع أنها قد تُعقِّد المُفسِّر أو المُترجم) تُسهِّل كتابة البرامج بتلك اللغات. على سبيل المثال، اللغات التي تتضمن إدارة تلقائية للذاكرة وجمع البيانات المهملة؛ واللغات التي تتضمن مصفوفات ترابطية مُدمجة ؛ وما إلى ذلك.

من ناحية أخرى، تم تصميم عدد قليل من لغات البرمجة خصيصًا لتسهيل كتابة مترجم ذاتي الاستضافة نسبيًا ، وذلك عادةً عن طريق استبعاد الميزات التي تجعل عملية التجميع صعبة، مثل BCPL و Pascal و RPython .

هناك منهجان عامان لتنفيذ لغات البرمجة: ^{[ 8 ]}

• التفسير : تتم قراءة البرنامج كمدخلات بواسطة مترجم، والذي يقوم بتنفيذ الإجراءات المكتوبة في البرنامج. ^{[ 9 ]}
• الترجمة : يقرأ المترجم البرنامج، ثم يترجمه إلى لغة أخرى، مثل لغة البايت كود أو لغة الآلة . يمكن تنفيذ الكود المترجم مباشرةًبواسطة الأجهزة أو استخدامه كمدخل لمفسر آخر أو مترجم آخر. ^{[ 9 ]}

بالإضافة إلى هذين النقيضين، تستخدم العديد من التطبيقات أساليب هجينة مثل الترجمة الفورية ومفسرات التعليمات البرمجية.

تتمتع المفسرات ببعض المزايا مقارنةً بالمترجمات الفورية والمترجمات المسبقة. ^{[ 10 ]} تدعم المفسرات عادةً حلقة قراءة-تقييم-طباعة ، مما يجعل تطوير البرامج الجديدة أسرع بكثير؛ بينما تجبر المترجمات المطورين على استخدام حلقة تحرير-تجميع-تشغيل-تصحيح أبطأ بكثير.

عند تجميع برنامج نموذجي باستخدام مُجمِّع مُسبق، فإنه (بعد اكتمال التجميع) سيعمل بشكل أسرع من البرنامج نفسه عند معالجته وتشغيله باستخدام مُجمِّع فوري؛ والذي بدوره قد يعمل بشكل أسرع من البرنامج نفسه عند تجميعه جزئيًا إلى لغة وسيطة من نوع p-code، مثل لغة البايت كود ، وتفسيره بواسطة آلة افتراضية للتطبيقات ؛ والذي بدوره يعمل بشكل أسرع بكثير من المفسر البحت. ^{[ 11 ]}

نظرياً، يمكن تحديد لغة البرمجة أولاً، ثم لاحقاً تنفيذ مترجمها أو مُفسِّرها (نموذج الشلال). عملياً، غالباً ما تؤثر الدروس المستفادة أثناء محاولة تنفيذ لغة ما على الإصدارات اللاحقة من مواصفات اللغة، مما يؤدي إلى دمج تصميم لغة البرمجة وتنفيذها.

عادةً ما يقوم كل من المفسرات والمترجمات بتنفيذ نوع من جداول الرموز .

قد تختلف عمليات إنشاء لغة برمجة من مطور لآخر؛ ومع ذلك، إليك عملية عامة لكيفية إنشاء لغة برمجة، والتي تتضمن مفاهيم مشتركة:

• التصميم: تُؤخذ جوانب التصميم في الاعتبار، مثل الأنواع، والنحو، والدلالات، واستخدام المكتبات، وذلك لتطوير لغة برمجة. ^{[ 21 ]}
• الاعتبارات: تُؤخذ في الحسبان بنية اللغة، والتنفيذ، وعوامل أخرى. لغات مثل بايثون تُفسر التعليمات البرمجية في وقت التشغيل، بينما تتبع لغات مثل سي++ نهجًا يعتمد على مُترجم لغة سي في بناء مُترجمها. ^{[ 22 ]}
• إنشاء تطبيق: يتم كتابة تطبيق أولي. ستقوم المترجمات بتحويله إلى تنسيقات أخرى، وعادةً ما ينتهي الأمر بمستوى منخفض مثل لغة التجميع، وحتى إلى التنسيق الثنائي. ^{[ 23 ]}
• حسّن تطبيقك: يجب تحسين التطبيقات. وسّع لغة البرمجة، بحيث تمتلك وظائف كافية للتشغيل الذاتي ، حيث تكون لغة البرمجة قادرة على كتابة تطبيقها الخاص.
• التمهيد: عند استخدام مُصرّف، قد يلجأ المطور إلى عملية التمهيد، حيث يُعاد كتابة مُصرّف لغة البرمجة باستخدام لغة البرمجة نفسها. ^{[ 24 ]} يُعدّ هذا مفيدًا للتحقق من الأخطاء وإثبات كفاءة المُصرّف. ^{[ 25 ]} كما يُتيح التمهيد ميزة إضافية تتمثل في الاكتفاء ببرمجة لغة البرمجة نفسها فقط بعد ذلك.

• الوسائط المتعلقة بالتجميع والربط في ويكيميديا ​​كومنز