Building a Virtual Machine for Programming Language

课程大纲

编程语言如何在幕后工作？编译器和解释器有什么区别？什么是虚拟机和JIT 编译器？那么函数式编程和命令式编程之间的区别呢？

在实现编程语言时有很多问题！

学校里“编译器课程”的问题是，这些课程通常被呈现为一些“硬核火箭科学”，只针对高级工程师。

此外，经典的编译器书籍从最不重要的主题开始，例如词法分析，一直到形式语法的理论方面。而在实现第一个 Tokenizer 模块时，学生们只是对该主题失去了兴趣，没有机会真正开始实现编程语言本身。所有这一切都蔓延到整个学期都在搞乱标记器和 BNF 语法，而没有了解编程语言的实际语义。

我相信我们应该能够在 4 到6 小时内构建和理解完整的端到端编程语言语义——内容直截了当，在实时编码会话中显示为结对编程，并在可理解的方式。

在构建虚拟机课程中，我们特别关注运行时语义，并为非常类似于 JavaScript 或 Python 的编程语言构建基于堆栈的 VM 。与字节码级别密切合作，您将了解当今生产 VM 中较低级别的解释是如何工作的。

实现一种编程语言也会让你在其他编程语言中的实践水平更加专业。

先决条件

这门课有两个先决条件。

构建虚拟机课程是上一课的自然扩展——从头开始构建解释器（又名解释基础），我们在其中还构建了完整的编程语言，但在更高的 AST 级别。除非您已经了解编程语言在这个级别是如何工作的，即 eval、闭包、作用域链、环境和其他构造是什么——您必须将解释器类作为先决条件。

此外，要进入生产 VM 所在的较低（字节码）级别，我们需要具备基本的 C++ 经验。然而，这个类不是关于 C++ 的，所以我们只使用非常基本的（并且可转移的）到其他语言的结构。

观看介绍视频了解详情。

这门课是为谁准备的？

本课程适用于任何好奇的工程师，他们希望获得构建复杂系统的技能（构建编程语言是一项高级工程任务！），并获得构建此类系统的可转移知识。

如果你对编译器、字节码解释器、虚拟机和源代码转换特别感兴趣，那么这门课也适合你。

什么用于实施？

由于较低级别的 VM 与性能有关，因此它们通常用 C 或 C++ 等低级语言实现。这正是我们使用的，但主要是 C++ 的基本功能，不会分散 C++ 细节的注意力。代码应该很容易转换和移植到任何其他语言，例如 Rust 甚至更高级别的语言，如 JavaScript——利用类型化数组来模仿内存概念。使用 C++ 还可以更轻松地实现进一步的 JIT 编译器。

注意：我们希望我们的学生自己真正遵循、理解和实施虚拟机的每一个细节，而不是仅仅从最终解决方案中复制粘贴。尽管视频讲座中提供了该语言的完整源代码，但该项目的代码库包含/* 在此处实现 */作业，学生必须解决这些作业。

这门课有什么特别的？

这些讲座的主要特点是：

• 简明扼要。每个讲座都是自给自足的，简洁的，并描述与主题直接相关的信息，而不是分散在不相关的材料或谈话上。
• 动画演示与实时编辑笔记相结合。这使得对主题的理解更容易，并显示对象结构是如何连接的。静态幻灯片根本不适用于复杂的内容。
• 带作业的端到端实时编码会话。完整的源代码，从头开始，直到最后都在视频讲座中呈现

课程内容是什么？

课程分为五个部分，共29节课，每节课设多个子课题。下面是目录和课程表。

第 1 部分：VM 基本操作

在这一部分中，我们描述编译和解释管道，开始构建我们的语言。讨论了堆栈和注册虚拟机、堆分配对象和字节码编译的主题。

第 2 部分：控制流和变量

在这一部分中，我们实现了控制流结构，例如 if 表达式和 while 循环，讨论了全局对象和全局变量、嵌套块和局部变量，还实现了一个反汇编程序。

第 3.1 部分：函数和调用堆栈

在这一部分中，我们开始讨论和实现函数抽象和函数调用。我们描述了调用堆栈、本机和用户定义函数以及 IILE（立即调用的 lambda 表达式）的概念。

第 3.2 部分：闭包实现

在这一部分中，我们专注于闭包的实现，讨论范围和逃逸分析，捕获自由变量，并为闭包添加运行时支持。

第 4 部分：垃圾收集

这部分专门介绍称为垃圾收集的自动内存管理。我们讨论跟踪堆并实现 Mark-Sweep 垃圾收集器。

第 5 部分：面向对象的编程

在最后一部分，我们添加了对面向对象编程、实现类和实例的支持。此外，我们构建最终的 VM 可执行文件。