Diseño e implementación de lenguajes de programación

Los lenguajes de programación se crean típicamente diseñando una forma de representación de un programa informático y escribiendo una implementación para el concepto desarrollado, ^{[ 1 ]} generalmente un intérprete o compilador . Los intérpretes están diseñados para leer programas, generalmente en alguna variación de un formato de texto , y realizar acciones basadas en lo que leen, mientras que los compiladores convierten el código a una forma de nivel inferior, como el código objeto. ^{[ 2 ]}

En el diseño de lenguajes de programación, existe una amplia variedad de factores a considerar. Algunos factores pueden ser mutuamente excluyentes (por ejemplo, seguridad frente a velocidad). Puede ser necesario considerar si un lenguaje de programación tendrá mejor rendimiento interpretado o compilado, si debe ser de tipado dinámico o estático, si incluirá herencia y la sintaxis general del lenguaje. ^{[ 3 ]} Muchos factores relacionados con el diseño de un lenguaje pueden estar determinados por los objetivos del mismo. Es importante considerar el público objetivo del lenguaje, sus características únicas y su propósito. ^{[ 4 ]} Es una buena práctica analizar las carencias o dificultades de los lenguajes existentes para asegurar que un lenguaje cumpla su propósito. ^{[ 4 ]}

Diversos expertos han sugerido principios de diseño útiles:

• Como último párrafo de un artículo publicado en 1972, Tony Hoare ha proporcionado algunos consejos generales para cualquier proyecto de software: ^{[ 5 ]}

  "En resumen, mi consejo para los diseñadores e implementadores del software del futuro es el siguiente: no decidan exactamente qué van a hacer hasta que sepan cómo hacerlo; y no decidan cómo hacerlo hasta que hayan evaluado su plan según todos los criterios de calidad deseados. Y si no pueden hacerlo, simplifiquen su diseño hasta que lo logren."

• En un simposio de SIGPLAN en 1973, Tony Hoare analizó con cierto detalle diversos aspectos del lenguaje. ^{[ 6 ]} También identificó una serie de deficiencias en los lenguajes de programación (entonces) vigentes.

  "Un lenguaje de programación es una herramienta que debe ayudar al programador en los aspectos más difíciles de su oficio, a saber, el diseño del programa, la documentación y la depuración."

  "Los criterios objetivos para un buen diseño de lenguaje se pueden resumir en cinco frases clave: simplicidad, seguridad, traducción rápida, código objeto eficiente y legibilidad."

  Es absurdo realizar comprobaciones de seguridad exhaustivas en las pruebas de depuración, cuando no se confía en los resultados, y luego eliminarlas en las pruebas de producción, cuando un resultado erróneo podría ser costoso o desastroso. ¿Qué pensaríamos de un aficionado a la vela que usa su chaleco salvavidas durante el entrenamiento en tierra firme, pero se lo quita en cuanto sale al mar?

• En el Congreso IFIP de 1974, Niklaus Wirth , diseñador de Pascal , presentó un artículo titulado "Sobre el diseño de lenguajes de programación". ^{[ 7 ]} Wirth enumeró varias sugerencias contrapuestas, entre las que destacaba que un lenguaje debía ser fácil de aprender y usar, que debía poder utilizarse sin añadir nuevas características, que el compilador debía generar código eficiente, que el compilador debía ser rápido y que un lenguaje debía ser compatible con las bibliotecas, el sistema en el que se ejecutaba y los programas escritos en otros lenguajes.

Muchos lenguajes de programación tienen características de diseño destinadas a facilitar la implementación, al menos, de la primera versión del compilador o intérprete. Por ejemplo, Pascal, Forth y muchos lenguajes ensambladores están diseñados específicamente para admitir la compilación en una sola pasada .

A menudo, los nuevos lenguajes de programación se diseñan para solucionar problemas (percibidos) de lenguajes anteriores, generalmente añadiendo características que (si bien pueden complicar el intérprete o el compilador) simplifican los programas escritos en dichos lenguajes. Por ejemplo, lenguajes con gestión automática de memoria y recolección de basura integradas; lenguajes con matrices asociativas integradas ; etc.

Por otro lado, algunos lenguajes de programación fueron diseñados específicamente para facilitar la escritura de un compilador autoalojado , generalmente omitiendo deliberadamente características que dificultan la compilación, como BCPL , Pascal y RPython .

Existen dos enfoques generales para la implementación de lenguajes de programación: ^{[ 8 ]}

• Interpretación : El programa es leído como entrada por un intérprete, que realiza las acciones escritas en el programa. ^{[ 9 ]}
• Compilación : El programa es leído por un compilador, que lo traduce a otro lenguaje, como código de bytes o código máquina . El código traducido puede ser ejecutado directamente por el hardware o servir como entrada para otro intérprete u otro compilador. ^{[ 9 ]}

Además de estos dos extremos, muchas implementaciones utilizan enfoques híbridos, como la compilación justo a tiempo y los intérpretes de código de bytes.

Los intérpretes tienen algunas ventajas sobre los compiladores JIT y los compiladores de ejecución anticipada. ^{[ 10 ]} Por lo general, los intérpretes admiten un bucle de lectura-evaluación-impresión que hace que el desarrollo de nuevos programas sea mucho más rápido; los compiladores obligan a los desarrolladores a utilizar un bucle mucho más lento de edición-compilación-ejecución-depuración.

Un programa típico, cuando se compila con un compilador de compilación anticipada (AIT), se ejecutará (después de la compilación) más rápido que el mismo programa procesado y ejecutado con un compilador JIT; que a su vez puede ejecutarse más rápido que ese mismo programa parcialmente compilado en un lenguaje intermedio de código P, como un bytecode , e interpretado por una máquina virtual de aplicaciones ; que a su vez se ejecuta mucho más rápido que un intérprete puro. ^{[ 11 ]}

En teoría, primero se puede especificar un lenguaje de programación y luego implementar un intérprete o compilador (modelo en cascada). En la práctica, a menudo lo aprendido durante la implementación del lenguaje influye en versiones posteriores de su especificación, lo que da lugar a un diseño e implementación combinados.

Tanto los intérpretes como los compiladores suelen implementar algún tipo de tabla de símbolos .

Los procesos para crear un lenguaje de programación pueden variar de un desarrollador a otro; sin embargo, aquí se presenta un proceso general sobre cómo se podría crear un lenguaje de programación, que incluye conceptos comunes:

• Diseño: Se consideran aspectos de diseño, como tipos, sintaxis, semántica y uso de bibliotecas para desarrollar un lenguaje. ^{[ 21 ]}
• Consideración: Se tienen en cuenta la sintaxis, la implementación y otros factores. Lenguajes como Python interpretan el código en tiempo de ejecución, mientras que lenguajes como C++ siguen un enfoque que basa su compilador en el compilador de C. ^{[ 22 ]}
• Crear una implementación: Se escribe una primera implementación. Los compiladores la convertirán a otros formatos, generalmente hasta llegar a lenguaje ensamblador de bajo nivel, incluso a binario. ^{[ 23 ]}
• Mejora tu implementación: Las implementaciones deben mejorarse. Amplía el lenguaje de programación, con el objetivo de que tenga la funcionalidad suficiente para autoarrancarse , de modo que un lenguaje de programación sea capaz de escribir una implementación de sí mismo.
• Arranque inicial: Si se utiliza un compilador, un desarrollador puede emplear el proceso de arranque inicial, en el que se reescribe el compilador del lenguaje de programación. ^{[ 24 ]} Esto resulta útil para la detección de errores y para demostrar su capacidad. ^{[ 25 ]} El arranque inicial también ofrece la ventaja de que, a partir de ese momento, solo es necesario programar el lenguaje en sí.

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