Lisp如何既动态又编译?

时间:2013-08-21 12:16:31

标签: compiler-construction lisp dynamic-typing static-typing

好的,首先要解决这个问题:我已经阅读了以下答案:

How is Lisp dynamic and compiled?

但我真的不明白它的答案。

在像Python这样的语言中,表达式为:

x = a + b

无法真正编译,因为“编译器”不可能知道a和b的类型(因为类型仅在运行时已知),因此如何添加它们。

这使得像Python这样的语言在没有类型声明的情况下无法编译,对吗?通过声明,编译器知道例如a和b是整数,因此知道如何添加它们,并将其转换为本机代码。

那怎么做:

(setq x 60)
(setq y 40)
(+ x y)

工作?

编译被定义为原生提前编译

修改

实际上,这个问题更多的是关于是否可以编译没有类型声明的动态语言,如果是,如何编译?

编辑2

经过大量研究(即狂热的维基百科浏览),我想我理解以下内容:

  • 动态类型语言是在运行时检查类型的语言
  • 静态类型语言是在编译程序时检查类型的语言
  • 类型声明允许编译器使代码更有效,因为它不是一直进行API调用而是可以使用更多的本机“函数”(这就是为什么你可以为Cython代码添加类型声明来加速它,但不要不得不,因为它仍然只能在C代码中调用Python库)
  • Lisp中没有数据类型;因此没有要检查的类型(类型是数据本身)
  • Obj-C有静态和动态声明;前者在编译时进行类型检查,后者在运行时检查

如果我在上述任何一点上错了,请纠正我。

2 个答案:

答案 0 :(得分:23)

示例代码:

(setq x 60)
(setq y 40)
(+ x y)

使用Lisp解释器执行

在上面的基于Lisp的Lisp中,Lisp数据将被解析,并且解释器会查看每个表单并运行评估程序。由于它运行的是Lisp数据结构,所以每次看到上面的代码时都会这样做

  • 获取第一张表格
  • 我们有一个表达
  • 这是一个SETQ特殊表格
  • 评估60,结果为60
  • 查找变量x的位置
  • 将变量x设置为60
  • 获取下一个表格...... ...
  • 我们有一个函数调用+
  • 评估x - > 60
  • 评估y - > 40
  • 用60和40调用函数+ - > 100 ...

现在+是一段代码,它实际上找出了要做的事情。 Lisp通常具有不同的数字类型,并且(几乎)没有处理器支持所有这些:fixnums,bignums,ratio,complex,float,...因此+函数需要找出参数的类型和内容它可以添加它们。

使用Lisp编译器执行

编译器只会发出机器代码,它将执行操作。机器代码将执行解释器所做的一切:检查变量,检查类型,检查参数数量,调用函数,...

如果运行机器代码,速度要快得多,因为不需要查看和解释Lisp表达式。解释器需要解码每个表达式。编译器已经完成了。

它仍然比某些C代码慢,因为编译器不一定知道类型,只发出完全安全和灵活的代码。

因此,这个编译好的Lisp代码比运行原始Lisp代码的解释器快得多。

使用优化的Lisp编译器

有时它不够快。然后你需要一个更好的编译器并告诉Lisp编译器它应该在编译中投入更多的工作并创建优化的代码。

Lisp编译器可能知道参数和变量的类型。然后,您可以告诉编译器省略运行时检查。编译器还可以假设+始终是相同的操作。因此它可以内联必要的代码。由于它知道类型,因此它可能只生成这些类型的代码:整数加法。

但是Lisp的语义仍然与C或机器操作不同。 +不仅处理各种数字类型,它还会自动从小整数(fixnums)切换到大整数(bignums)或某些类型的溢出信号错误。您还可以告诉编译器省略它,只使用本机整数。那么你的代码会更快 - 但不像普通代码那样安全和灵活。

这是使用64Bit LispWorks实现的完全优化代码的示例。它使用类型声明,内联声明和优化指令。你看,我们必须告诉编译器:

(defun foo-opt (x y)
  (declare (optimize (speed 3) (safety 0) (debug 0) (fixnum-safety 0))
           (inline +))
  (declare (fixnum x y))
  (the fixnum (+ x y)))

代码(64位Intel机器代码)非常小,并针对我们告诉编译器的内容进行了优化:

       0:      4157             push  r15
       2:      55               push  rbp
       3:      4889E5           moveq rbp, rsp
       6:      4989DF           moveq r15, rbx
       9:      4803FE           addq  rdi, rsi
      12:      B901000000       move  ecx, 1
      17:      4889EC           moveq rsp, rbp
      20:      5D               pop   rbp
      21:      415F             pop   r15
      23:      C3               ret   
      24:      90               nop   
      25:      90               nop   
      26:      90               nop   
      27:      90               nop   

但请记住,上面的代码与解释器或安全代码的作用有所不同:

  • 它只计算fixnums
  • 它无声地溢出
  • 结果也是一个fixnum
  • 没有错误检查
  • 它不适用于其他数值数据类型

现在未经优化的代码:

       0:      49396275         cmpq  [r10+75], rsp
       4:      7741             ja    L2
       6:      4883F902         cmpq  rcx, 2
      10:      753B             jne   L2
      12:      4157             push  r15
      14:      55               push  rbp
      15:      4889E5           moveq rbp, rsp
      18:      4989DF           moveq r15, rbx
      21:      4989F9           moveq r9, rdi
      24:      4C0BCE           orq   r9, rsi
      27:      41F6C107         testb r9b, 7
      31:      7517             jne   L1
      33:      4989F9           moveq r9, rdi
      36:      4C03CE           addq  r9, rsi
      39:      700F             jo    L1
      41:      B901000000       move  ecx, 1
      46:      4C89CF           moveq rdi, r9
      49:      4889EC           moveq rsp, rbp
      52:      5D               pop   rbp
      53:      415F             pop   r15
      55:      C3               ret   
L1:   56:      4889EC           moveq rsp, rbp
      59:      5D               pop   rbp
      60:      415F             pop   r15
      62:      498B9E070E0000   moveq rbx, [r14+E07]   ; SYSTEM::*%+$ANY-CODE
      69:      FFE3             jmp   rbx
L2:   71:      41FFA6E7020000   jmp   [r14+2E7]        ; SYSTEM::*%WRONG-NUMBER-OF-ARGUMENTS-STUB
  ...

您可以看到它调用库例程来执行添加。这段代码完成了解释器的所有功能。但它不需要解释Lisp源代码。它已经编译成相应的机器指令。

为什么快速编译Lisp代码(呃)?

那么,为什么编译Lisp代码速度快?两种情况:

  • 未经优化的Lisp代码:Lisp运行时系统针对动态数据结构进行了优化,代码不需要解释

  • 优化的Lisp代码:Lisp编译器需要信息或推断它,并做了很多工作来发出优化的机器代码。

作为一名Lisp程序员,您可能希望在大多数情况下使用未经优化但已编译的Lisp代码。它足够快,并提供很多舒适。

不同的执行模式提供选择

作为Lisp程序员,我们可以选择:

  • 解释代码:速度慢,但最容易调试
  • 编译代码:运行时速度快,编译速度快,编译器检查很多,调试起来稍微困难,完全动态
  • 优化代码:运行时非常快,运行时可能不安全,各种优化的编译噪音很多,编译速度慢

通常我们只优化那些需要速度的代码部分。

请记住,在很多情况下,即使是优秀的Lisp编译器也无法创造奇迹。一个完全通用的面向对象程序(使用Common Lisp对象系统)几乎总是会有一些开销(基于运行时类调度......)。

动态类型和动态不一样

另请注意,动态类型动态是编程语言的不同属性:

  • Lisp是动态类型因为类型检查是在运行时完成的,默认情况下变量可以设置为所有类型的对象。为此,Lisp还需要附加到数据对象本身的类型。

  • Lisp是动态,因为编程语言Lisp和程序本身都可以在运行时更改:我们可以添加,更改和删除函数,我们可以添加,更改或删除语法结构,我们可以添加,更改或删除数据类型(记录,类,...),我们可以通过各种方式更改Lisp的表面语法等。它还有助于Lisp动态类型化以提供其中的一些功能。 / p>

用户界面:编译和反汇编

ANSI Common Lisp提供

  • 编译代码的两个标准函数:compilecompile file
  • 加载源代码或已编译代码的一个标准函数:load
  • 一个用于反汇编代码的标准函数:disassemble

答案 1 :(得分:7)

编译是从一种语言到另一种语言的简单翻译。 如果您可以使用语言A和语言B表达相同的内容,则可以将语言A中表达的内容编译为语言B中的相同内容。

一旦您用某种语言表达了您的意图,就会通过解释来执行。即使在使用C语言或其他一些编译的语言时,您的语句也是:

  1. 从C翻译 - >汇编语言
  2. 从汇编翻译 - >机器代码
  3. 由机器解释。
  4. 计算机实际上是非常基本语言的解释器。由于它是如此基本且难以使用,人们想出了更容易使用的其他语言,并且可以很容易地翻译成机器代码中的等效语句(例如C)。然后,您可以通过执行“即时”翻译来劫持编译阶段。正如JIT编译器那样,或者编写自己的解释器,直接用高级语言(例如LISP或Python)执行语句。

    但请注意,解释器只是直接执行代码的快捷方式!如果不是执行代码,解释器会打印它将要执行的任何调用,是否执行代码,您将拥有...编译器。当然,这将是一个非常愚蠢的编译器,它不会利用它拥有的大部分信息。

    在生成代码之前,实际编译器会尝试从整个程序中收集尽可能多的信息。例如,以下代码:

    const bool dowork = false;
    
    int main() {
        if (dowork) {
            //... lots of code go there ... 
        }
        return 0;
    }
    

    理论上会生成if分支内的所有代码。但是一个聪明的编译器可能会认为它无法访问并且只是忽略它,利用它知道程序中的所有内容并知道dowork将永远是false这一事实。

    除此之外,某些语言还有 types ,这有助于调度函数调用,在编译时确保一些事情并帮助转换为机器代码。某些语言如C 需要程序员声明其变量的类型。其他像LISP和Python只是在设置时推断变量的类型,如果你尝试使用某种类型的值(如果需要另一种类型)(例如,如果你在大多数lisp中写(car 2)),那么在运行时会出现恐慌解释器,它会引发一些错误,告诉你一对是预期的)。类型可以用于在编译时分配内存(例如,如果需要分配10 * sizeof(int),C编译器将精确分配int[10]个字节的内存,但这不是所需的。事实上,大多数C程序使用指针来存储数组,这些数组基本上是动态的。在处理指针时,编译器将生成/链接到代码,这些代码在运行时将执行必要的检查,重新分配等。但最重要的是动态和编译不会被反对。 Python或Lisp解释器是编译的程序,但仍然可以对动态值起作用。实际上,汇编语言本身并不是真正的类型,因为计算机可以对任何对象执行任何操作,因为它只能看到'是比特流和比特操作。更高级别的语言引入了任意类型和限制,以使事物更具可读性,并防止您做出完全疯狂的事情。但这只是帮助你,而非绝对要求。

    现在哲学咆哮结束了,让我们来看看你的例子:

    (setq x 60)
    (setq y 40)
    (+ x y)
    

    让我们尝试将其编译为有效的C程序。一旦完成,C编译器比比皆是,所以我们可以翻译LISP - > C - >机器语言,或其他任何东西。请记住,编译只是翻译(优化也很酷,但可选)。

    (setq 
    

    这会分配一个值。但我们不知道分配给什么。让我们继续

    (setq x 60)
    

    好的,我们将60分配给x。 60是整数文字,因此其C类型为int。由于没有理由假设x是另一种类型,这相当于C:

    int x = 60;
    

    同样适用于(setq y 40)

    int y = 40;
    

    现在我们有:

    (+ x y)
    

    +是一个函数,根据实现,可以采用多种类型的参数,但我们知道xy是整数。我们的编译器知道存在一个等价的C语句,它是:

    x + y;
    

    所以我们只是翻译它。我们的最终C计划:

    int x = 60;
    int y = 40;
    x + y;
    

    这是一个完全有效的C程序。它可能比这更棘手。例如,如果xy非常大,那么大多数LISP都不会让它们溢出而C将会溢出,因此您可以将编译器编码为具有自己的整数类型作为整数数组(或者你认为相关的任何东西)。如果您能够在这些类型上定义常见操作(如+),则新编译器可能会将之前的代码转换为此代码:

    int* x = newbigint("60");
    int* y = newbigint("40");
    addbigints(x, y);
    

    将函数newbigintaddbigints定义在别处,或由编译器生成。它仍然是有效的C,所以它将编译。实际上,您自己的解释器可能是以某种低级语言实现的,并且已经在其自己的实现中对LISP对象进行了表示,因此它可以直接使用它们。

    顺便说一句,这正是Cython编译器为Python代码所做的事情:)

    您可以在Cython中静态定义类型以获得一些额外的速度/优化,但这不是必需的。 Cython可以将您的Python代码直接转换为C,然后转换为机器代码。

    我希望它能让它更清晰!记住:

    1. 最终解释所有代码
    2. 编译器代码转换为更容易/更快解释的内容。他们经常在整个过程中执行优化,但这不是定义的一部分