Compiler and Interpreter(编译器和解释器

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在计算机的世界中,一个Programmer多多少少有听说过编辑器,解释器,机器码,字节码这些名词, 现在我们稍微深入问一问:

• 这些名词分别表示的是什么?
• 编辑器和解释器是如何运行?
• 它们之间又有什么联系呢?

本文的目的就是为了理清这些问题.

目录

• Type of code(代码的类型)
• Level of Programming Language(编程语言的层级)
• Compiler(编译器)
  • 编译器的工作流程
• Interpreter(解释器)
• 参考

Type of code(代码的类型)

计算机的代码根据封装程度的高低可以分为以下几类(从低到高):

• Microcode(微码): 微码是一种直接控制CPU的代码, 通过将机器指令与相关的电路实现分离, 使得机器指令可以更自由的进行设计与修改,而不用考虑到实际的电路架构.(传统架构CPU的操作直接写死在电路板上,需要物理改动才能修改).
  • 也被称为firmware(固件).
  • 通常存放在ROM上,不开放修改.
  • 仅适用于其设计的特定硬件.
  • 处于软件层面的最底层.
• Machine code(机器码): 可以由CPU直接执行的代码.
  • 在CISC架构的电脑上会被转化为机器码来执行.
  • 在RISC架构的电脑上直接执行.
• Bytecode(字节码): 通常指的是已经经过编译,需要解释器翻译后才能成为机器码的中间代码. 如Java字节码.
  • 是为了解释器的高效执行而设计.
  • 可跨平台.

Level of Programming Language(编程语言的层级)

编程语言根据对机器语言的抽象(封装)程度可以分为两类:

• Low-level programming language(低级编程语言): 不提供或jin仅提供很少的封装,接近机器语言.
  • 一般指Machine language(机器语言)和Assembly language(汇编语言).
  • 代码通常只能在特定平台上执行.
  • 执行效率高.
  • 可阅读性差.
  • 开发效率低.
• High-level programming language(高级编程语言): 高度封装了机器语言, 需要编译器或解释器转化成机器码才能执行. 如: C,C++,Java,Python等.
  • 执行效率较低.
  • 可读性好.
  • 开发效率高.

汇编语言的代码需要由汇编器(assembler)将代码转为机器码才能执行,也可以认为是高级语言.

如下图:

image.png

图片来自: Quora: What are the different types of programming languages?

用高级语言编写的程序要么由某种解释器直接执行,要么由编译器(以及汇编程序和链接程序)转换成机器代码, 然后由CPU执行.

下面来介绍编译器和解释器.

Compiler(编译器)

编译器是一个将一种编程语言的代码翻译(translate)为另外一种编程语言的代码的计算机程序. 通常指将高级语言的代码翻译为低级语言的代码.

主要目的是将便于人编写,阅读,维护的高级语言的代码翻译为计算机能解读,运行的机器码.

编译器还有以下几类:

• cross-compiler(交叉编译器): 翻译输出的代码可以运行于不同的平台(不同的CPU或操作系统).
• bootstrap compiler: 由要编译的输入语言编写的编译器,它初始核心版本由其他语言生成(一般是汇编语言).
• decompiler(逆编译程序): 将低级语言的代码翻译为高级语言的代码.
• source-to-source compiler(源码到源码编辑器): 将一种高级语言代码翻译成另外一种高级语言的代码.

编译器的工作流程

一个编译器的工作流程一般会包括以下几个步骤(顺序执行):

• preprocessing
• lexical analysis
• parsing
• semantic analysis (syntax-directed translation)
• conversion of input programs to an intermediate representation
• code optimization
• code generation

如下图:

image.png

图片来自: The Thing from another World

Interpreter(解释器)

解释器是一种直接执行高级语言代码的计算机程序, 而无需将代码编译成机器码.

• 优点: 消除了编译整个程序的负担，程序可以拆分成多个部分来模块化.
• 缺点: 解释器像是一位“中间人”,每次运行程序时都要先将代码转成另一种语言的代码,然后再作运行,因此解释器的程序运行速度比较缓慢.

解释器执行代码的策略一般有以下三种:

• 直接运行高级编程语言的代码(如Shell内置的解释器).
• 先将代码转换成高效的中间码(如:Bytecode),然后马上执行(不输出中间码).
• 由解释器中内置的编译器先将高级语言的代码编译成中间码,然后再执行.(输出中间码,相当于两个阶段,如Java的执行)

与编译器的执行方式的对比如下图:

image.png

图片来自: Compiler vs Interpreter: Complete Difference Between Compiler and Interpreter

参考

• Compiler
• Interpreter