1.1.4Интерпретаторы. Особенности построения интерпретаторов

Интерпретатор — это программа, которая воспринимает входную программу на исходном языке и выполняет ее. Как уже было сказано выше, основное отличие интерпретаторов от трансляторов и компиляторов заключается в том, что интер­претатор не порождает результирующую программу, а просто выполняет исход­ную программу.

Термин «интерпретатор» (interpreter), как и «транслятор», означает «перевод­чик». С точки зрения терминологии эти понятия схожи, но с точки зрения тео­рии формальных языков и компиляции между ними большая принципиальная разница. Если понятия «транслятор» и «компилятор» почти неразличимы, то с понятием «интерпретатор» их путать никак нельзя.

Простейшим способом реализации интерпретатора можно было бы считать ва­риант, когда исходная программа сначала полностью транслируется в машинные команды, а затем сразу же выполняется. В такой реализации интерпретатор, по сути, мало бы чем отличался от компилятора с той лишь разницей, что результи­рующая программа в нем была бы недоступна пользователю. Недостатком тако­го интерпретатора было бы то, что пользователь должен был бы ждать компиля­ции всей исходной программы прежде, чем начнется ее выполнение. По сути, в таком интерпретаторе не было бы никакого особого смысла — он не давал бы никаких преимуществ по сравнению с аналогичным компилятором.

Поэтому подавляющее большинство интерпретаторов действует так, что испол­няет исходную программу последовательно, по мере ее поступления на вход ин­терпретатора. Тогда пользователю не надо ждать завершения компиляции всей исходной программы. Более того, он может последовательно вводить исходную программу и тут же наблюдать результат ее выполнения по мере ввода команд.

При таком порядке работы интерпретатора проявляется существенная особен­ность, которая отличает его от компилятора, — если интерпретатор исполняет команды по мере их поступления, то он не может выполнять оптимизацию ис­ходной программы. Следовательно, фаза оптимизации в общей структуре интерпретатора будет отсутствовать. В остальном же она будет мало отличаться от структуры аналогичного компилятора. Следует только учесть, что на последнем этапе — генерации кода — машинные команды не записываются в объектный файл, а выполняются по мере их порождения.

Отсутствие шага оптимизации определяет еще одну особенность, характерную для многих интерпретаторов: в качестве внутреннего представления программы в них очень часто используется обратная польская запись. Эта удобная форма представления операций обладает только одним существенным недостатком — она плохо подда­ется оптимизации. Но в интерпретаторах именно это как раз и не требуется.

В обратной польской записи знаки выражений записываются непосредственно за операндами. Операнды следуют в том же порядке, а знаки операций – строго в порядке их выполнения. Здесь не требуется учитывать приоритет операций. Скобки не употребляются. Обратная польская запись эффективна, когда используется стек. Например,

6+7*(10+4)=104 ---- 6 7 10 4 + * +

6+(7+10)*4=74 ------ 6 7 10 + 4 * +

Далеко не все языки программирования допускают построение интерпретаторов, которые могли бы выполнять исходную программу по мере поступления команд. Для этого язык должен допускать возможность существования компилятора, выполняющего разбор исходной программы за один проход. Кроме того, язык не может интерпретироваться по мере поступления команд, если он допускает по­явление обращений к функциям и структурам данных раньше их непосредствен­ного описания. Поэтому данным методом не могут интерпретироваться такие языки, как С и Pascal.

Отсутствие шага оптимизации ведет к тому, что выполнение программы с помо­щью интерпретатора является менее эффективным, чем с помощью аналогично­го компилятора. Кроме того, при интерпретации исходная программа должна за­ново разбираться всякий раз при ее выполнении, в то время как при компиляции она разбирается только один раз, а после этого всегда используется объектный файл. Таким образом, интерпретаторы всегда проигрывают компиляторам в про­изводительности.

Преимуществом интерпретатора является независимость выполнения програм­мы от архитектуры целевой вычислительной системы. В результате компиляции получается объектный код, который всегда ориентирован на определенную архи­тектуру. Для перехода на другую архитектуру целевой вычислительной системы программу требуется откомпилировать заново. А для интерпретации программы необходимо иметь только ее исходный текст и интерпретатор с соответствующе­го языка.

Интерпретаторы долгое время значительно уступали в распространенности ком­пиляторам. Как правило, интерпретаторы существовали для ограниченного кру­га относительно простых языков программирования (таких, например, как Basic). Высокопроизводительные профессиональные средства разработки программно­го обеспечения строились на основе компиляторов.

Новый импульс развитию интерпретаторов придало распространение глобаль­ных вычислительных сетей. Такие сети могут включать в свой состав ЭВМ раз­личной архитектуры, и тогда требование единообразного выполнения на каждой из них текста исходной программы становится определяющим. Поэтому с разви­тием глобальных сетей и распространением всемирной сети Интернет появилось много новых систем, интерпретирующих текст исходной программы. Многие языки программирования, применяемые во Всемирной сети, предполагают имен­но интерпретацию текста исходной программы без порождения объектного кода.

В современных системах программирования существуют реализации программ­ного обеспечения, сочетающие в себе и функции компилятора, и функции интер­претатора — в зависимости от требований пользователя исходная программа либо компилируется, либо исполняется (интерпретируется). Кроме того, некото­рые современные языки программирования предполагают две стадии разработ­ки: сначала исходная программа компилируется в промежуточный код (некото­рый язык низкого уровня), а затем этот результат компиляции выполняется с помощью интерпретатора данного промежуточного языка. Более подробно вари­анты таких систем рассмотрены в главе «Современные системы программирова­ния».

Широко распространенным примером интерпретируемого языка может служить HTML (Hypertext Markup Language) — язык описания гипертекста. На его осно­ве в настоящее время функционирует практически вся структура сети Интернет. Другой пример — языки Java и JavaScript — сочетают в себе функции компиля­ции и интерпретации. Текст исходной программы компилируется в некоторый промежуточный двоичный код, не зависящий от архитектуры целевой вычисли­тельной системы, этот код распространяется по сети и выполняется на прини­мающей стороне — интерпретируется.