独自の JavaScript 互換言語を構築する: コンパイラー設計をマスターする

JavaScript にコンパイルできる独自のプログラミング言語を作成するのは、興味深い旅です。これは、あなたのスキルを限界まで高め、言語が内部でどのように機能するかをより深く理解できるようにするプロジェクトです。

基本から始めましょう。 JavaScript に対するカスタム言語のコンパイラーには、通常、字句解析、解析、コード生成という 3 つの主要な段階が含まれます。

字句解析が最初のステップです。ここでは、ソース コードをトークンに分割します。これらは私たちの言語における意味の最小単位です。たとえば、ステートメント「let x = 5;」では、「let」、「x」、「=」、「5」、「;」のトークンが存在します。

JavaScript の単純なレクサーを次に示します。

function lexer(input) {
    let tokens = [];
    let current = 0;

    while (current 



<p>このレクサーは、「let x = 5;」のような単純な代入を処理できます。基本的なものですが、字句解析がどのように機能するかを理解できます。</p>

<p>次は解析です。ここで、トークンのストリームを取得し、抽象構文ツリー (AST) を構築します。 AST はプログラムの構造を表します。</p>

<p>これが私たちの言語の簡単なパーサーです:<br>
</p>

<pre class="brush:php;toolbar:false">function parser(tokens) {
    let current = 0;

    function walk() {
        let token = tokens[current];

        if (token.type === 'identifier' && token.value === 'let') {
            let node = {
                type: 'VariableDeclaration',
                name: tokens[++current].value,
                value: null
            };

            current += 2; // Skip the '='
            node.value = walk();

            return node;
        }

        if (token.type === 'number') {
            current++;
            return { type: 'NumberLiteral', value: token.value };
        }

        throw new TypeError(token.type);
    }

    let ast = {
        type: 'Program',
        body: []
    };

    while (current 



<p>このパーサーは、単純な変数宣言を処理できます。あまり堅牢ではありませんが、コンセプトを説明しています。</p>

<p>最後のステップはコード生成です。ここで AST を取得し、それを JavaScript コードに変換します。これは簡単なコードジェネレーターです:<br>
</p>

<pre class="brush:php;toolbar:false">function codeGenerator(node) {
    switch (node.type) {
        case 'Program':
            return node.body.map(codeGenerator).join('\n');

        case 'VariableDeclaration':
            return 'let ' + node.name + ' = ' + codeGenerator(node.value) + ';';

        case 'NumberLiteral':
            return node.value;

        default:
            throw new TypeError(node.type);
    }
}

これで、すべてをまとめることができます:

function compile(input) {
    let tokens = lexer(input);
    let ast = parser(tokens);
    let output = codeGenerator(ast);
    return output;
}

console.log(compile('let x = 5;'));
// Outputs: let x = 5;

これは表面をなぞっただけです。実際の言語コンパイラは、関数、制御構造、演算子など、さらに多くの処理を行う必要があります。しかし、これにより、何が関係しているのかを知ることができます。

言語を拡張するにつれて、レクサーにさらに多くのトークン タイプを追加し、パーサーにさらに多くのノード タイプを追加し、コード ジェネレーターにさらに多くのケースを追加する必要があります。また、解析とコード生成の間に中間表現 (IR) ステージを追加すると、最適化の実行が容易になります。

単純な算術式のサポートを追加しましょう:

// Add to lexer
if (char === '+' || char === '-' || char === '*' || char === '/') {
    tokens.push({ type: 'operator', value: char });
    current++;
    continue;
}

// Add to parser
if (token.type === 'number' || token.type === 'identifier') {
    let node = { type: token.type, value: token.value };
    current++;

    if (tokens[current] && tokens[current].type === 'operator') {
        node = {
            type: 'BinaryExpression',
            operator: tokens[current].value,
            left: node,
            right: walk()
        };
        current++;
    }

    return node;
}

// Add to code generator
case 'BinaryExpression':
    return codeGenerator(node.left) + ' ' + node.operator + ' ' + codeGenerator(node.right);

case 'identifier':
    return node.value;

これで、コンパイラは「let x = 5 3;」のような式を処理できるようになりました。

私たちが言語を構築し続けるにつれて、興味深い課題に直面することになります。演算子の優先順位はどのように扱うのでしょうか? if ステートメントやループなどの制御構造を実装するにはどうすればよいでしょうか?関数と変数のスコープはどのように扱うのですか?

これらの質問は、より高度なトピックにつながります。変数とそのスコープを追跡するためにシンボル テーブルを実装する場合があります。実行前にエラーを検出するために型チェックを追加できます。独自のランタイム環境を実装することもあります。

特に興味深い分野の 1 つは最適化です。 AST を取得したら、それを分析および変換して、結果のコードをより効率的にすることができます。たとえば、コンパイル時に定数式を評価する定数の折りたたみを実装できます。

function lexer(input) {
    let tokens = [];
    let current = 0;

    while (current 



<p>コード生成フェーズ中に各ノードでこの関数を呼び出すことができます。</p>

<p>もう 1 つの高度なトピックは、ソース マップの生成です。ソース マップを使用すると、デバッガーは生成された JavaScript と元のソース コードをマッピングできるため、デバッグが非常に簡単になります。</p>

<p>言語設計を深く掘り下げていくと、そこに含まれるニュアンスやトレードオフが理解できるようになります。私たちの言語は強く型付けされるべきですか、それとも動的に型付けされるべきですか?表現力と安全性のバランスをどう取るか?私たちの言語を直感的で使いやすくする構文は何ですか?</p>

<p>JavaScript にコンパイルされる言語を構築すると、JavaScript 自体について独自の視点が得られます。私たちは、なぜ特定の設計上の決定が行われたのかを理解し始め、言語の癖や機能についてより深く理解できるようになります。</p>

<p>さらに、このプロジェクトは他の言語やツールについての理解を大幅に高めることができます。私たちが遭遇する概念の多く (字句スコープ、型システム、ガベージ コレクション) は、プログラミング言語の設計と実装の基礎です。</p>

<p>JavaScript にコンパイルしている間、これらの原則の多くは他のターゲット言語にも適用されることに注意してください。基本を理解したら、Python、Java、さらにはマシンコードを出力するようにコンパイラーを適応させることができます。</p>

<p>最後に、言語トランスパイラーの構築が簡単な作業ではないことは明らかです。これは、常に新しい課題と学習の機会を提供し、あなたとともに成長できるプロジェクトです。特定の問題に対してドメイン固有の言語を作成しようとしている場合でも、単に言語がどのように機能するかに興味がある場合でも、このプロジェクトはプログラミングの知識を深める優れた方法です。</p>

<p>覚えておいてください、目標は必ずしも次の大きなプログラミング言語を作成することではありません。本当の価値は旅の中にあり、理解が得られ、問題が解決され、新しい考え方が身につくのです。したがって、実験したり、間違いを犯したり、可能だと思う限界を押し広げたりすることを恐れないでください。コーディングを楽しんでください!</p>


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