编译器目标的简短调查

作为一名业余编译器开发者，我在选择合适的编译器目标时遇到了困难。与 80 年代不同，当时人们必须直接针对各种机器架构，现在有许多成熟的选项可供选择。这是一份关于一些流行和有趣选项的简要且不完整的调查。

机器代码 / 汇编

编译器可以直接输出针对一个或多个架构的机器代码或汇编代码。一个著名的例子是 Tiny C 编译器。它以速度快和体积小而闻名，可以即时编译和运行 C 代码。另一个例子是 Turbo Pascal。您也可以使用自己的编译器这样做，但您需要弄清楚每个架构的 指令集（ISA）的复杂性，以及 寄存器分配 等概念。

大多数现代编译器实际上并不直接发出机器代码或汇编代码。它们首先将源代码降低到语言无关的 中间表示（IR），然后从中生成主要架构（x86-64、ARM64 等）的机器代码。

该领域最著名的工具是 LLVM。它是一个大型的开源编译器库。许多语言的编译器，例如 Rust、Swift、C/C++（通过 Clang）和 Julia，都使用 LLVM 作为 IR 来发出机器代码。

另一个选择是 GNU 编译器集合（GCC），通过其 GIMPLE IR，尽管似乎没有编译器直接使用它。GCC 可以像 LLVM 一样用作库来编译代码，通过 libgccjit。它被用于 Emacs 中即时编译 Elisp。Cranelift 是该领域的另一个新选项，尽管它只支持少数 ISA。

对于那些认为 LLVM 或 GCC 太大或太慢的编译者，存在一些极简主义的替代方案。QBE 是一个专注于简单性的后端，针对“70% 的性能在 10% 的代码中”。它被语言 Hare 使用，该语言优先考虑快速的编译时间。另一个选项是 libFIRM，它使用基于图的 SSA 表示而不是线性 IR。

其他高级语言

有时您可以让其他编译器/运行时处理繁重的工作。您可以将代码转换为另一种成熟的高级语言，并利用该语言的现有编译器/运行时和工具链。

在这种情况下，一个常见的目标是 C。由于 C 编译器几乎存在于所有平台，因此生成 C 代码使您的语言具有高度的可移植性。这是 Chicken Scheme 和 Vala 使用的策略。或者，您可以编译到 C++，就像 Jank 一样，如果您喜欢的话。还有 C–，一种由 GHC 和 OCaml 目标的 C 子集。

另一个无处不在的目标是 JavaScript（JS），它是运行代码在 Web 浏览器或 JS 运行时（Node、Deno、Bun）中的一种选择（另一种选择是 WebAssembly）。多种语言，例如 TypeScript、PureScript、Reason、ClojureScript、Dart 和 Elm，都可以转换为 JS。Nim 有趣的是，可以转换为 C、C++ 或 JS。

另一个与 JS 类似的目标是 Lua，一种轻量级且可嵌入的脚本语言，语言如 MoonScript 和 Fennel 可以转换为 Lua。

一种更为小众的方法是针对 Lisp 方言。编译到 Chez Scheme，例如，允许您利用其宏系统、运行时和编译器。Idris 2 和 Racket 使用 Chez Scheme 作为其主要后端目标。

虚拟机 / 字节码

这是应用语言的常见选择。您将代码编译为可移植的字节码，用于 虚拟机（VM）。VM 通常带有 垃圾回收、即时编译 和安全沙箱等功能。

Java 虚拟机（JVM）可能是最流行的。它是许多语言的目标，包括 Java、Kotlin、Scala、Groovy 和 Clojure。其主要竞争对手是 公共语言运行时，最初由 Microsoft 开发，目标语言包括 C#、F# 和 Visual Basic.NET。

另一个值得注意的 VM 是 BEAM，最初为 Erlang 构建。BEAM VM 不是为原始计算速度而设计的，而是为高并发性、容错性和可靠性而设计的。最近，新的语言，如 Elixir 和 Gleam，被创建来针对它。

最后，该类别还包括 MoarVM，它是 Parrot VM 的精神继承者，为 Raku（以前称为 Perl 6）语言而构建。

WebAssembly

WebAssembly（Wasm）是一个相对较新的目标。它是一种专注于安全性和效率的可移植二进制指令格式。Wasm 得到了所有主要浏览器的支持，但不仅限于浏览器。WebAssembly 系统接口（WASI）标准为在非浏览器和非 JS 环境中运行 Wasm 提供了 API。Wasm 现在被许多语言作为目标，例如 Rust、C/C++、Go、Kotlin、Scala、Zig 和 Haskell。

元跟踪 和 元编译 框架是一个更复杂的类别。这些不是编译器后端的目标，而是使用它们通过指定解释器来构建自定义的 即时编译 编译器。

最著名的例子是 PyPy，它是使用 RPython 框架创建的 Python 实现。另一个这样的框架是 GraalVM/Truffle，它是来自 Oracle 的多语言 VM 和元跟踪框架。其主要功能是零成本互操作性：GraalJS、TruffleRuby 和 GraalPy 的代码都可以在同一个 VM 上运行，并且可以直接相互调用。

非传统目标

超越主流，您将发现一个非传统和古怪的编译器目标世界。开发人员选择它们是出于学术好奇心、艺术表达或测试可行的编译目标的界限。

• Brainfuck：一种只有八个命令的古怪语言，Brainfuck 是 图灵完备 的，并且已经成为编译器的目标作为挑战。人们为 C、Haskell 和 Lambda 演算 编写了编译器。

• Lambda 演算：Lambda 演算 是一种仅使用函数及其应用来表达计算的最小编程语言。它经常被用作教育编译器的目标，因为其简单性，以及与计算的基本性质的联系。Hell，Haskell 的一个子集，编译为 简单类型 Lambda 演算。

• Lambda 演算：Lambda 演算是一种最小化的编程语言，它仅使用函数及其应用来表示计算。由于其简单性和与计算的基本性质的联系，它经常被用作教育编译器的目标语言。Hell，Haskell的一个子集，编译为简单类型的 Lambda 演算。

• SKI 组合子：SKI 组合子演算比 Lambda 演算更加最小化。SKI 演算中的所有程序都可以仅由三个组合子组成：S、K 和 I。MicroHs 编译 Haskell 的一个子集为 SKI 演算。

• JSFuck：你知道吗，你可以仅使用六个字符 []()!+ 来编写所有可能的 JavaScript 程序？好吧，现在你知道了。

• Postscript：Postscript也是一个图灵完备的编程语言。你的下一个编译器可以以它为目标！

• 正则表达式？乐高？细胞自动机？

结论

我将编写一个从 C++ 到 JSFuck 的编译器。