Créez votre propre langage compatible avec JavaScript : maîtriser la conception du compilateur

Créer votre propre langage de programmation qui compile en JavaScript est un voyage fascinant. C'est un projet qui poussera vos compétences à l'extrême et vous permettra de mieux comprendre le fonctionnement des langues sous le capot.

Commençons par les bases. Un compilateur pour un langage personnalisé pour JavaScript implique généralement trois étapes principales : l'analyse lexicale, l'analyse et la génération de code.

L'analyse lexicale est la première étape. Ici, nous décomposons notre code source en jetons. Ce sont les plus petites unités de sens de notre langue. Par exemple, dans l'instruction "let x = 5;", nous aurions des jetons pour "let", "x", "=", "5" et ";".

Voici un lexer simple en JavaScript :

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

    while (current < input.length) {
        let char = input[current];

        if (char === '=' || char === ';') {
            tokens.push({ type: 'operator', value: char });
            current++;
            continue;
        }

        if (/\s/.test(char)) {
            current++;
            continue;
        }

        if (/[a-z]/i.test(char)) {
            let value = '';
            while (/[a-z]/i.test(char)) {
                value += char;
                char = input[++current];
            }
            tokens.push({ type: 'identifier', value });
            continue;
        }

        if (/\d/.test(char)) {
            let value = '';
            while (/\d/.test(char)) {
                value += char;
                char = input[++current];
            }
            tokens.push({ type: 'number', value });
            continue;
        }

        throw new Error('Unknown character: ' + char);
    }

    return tokens;
}

Ce lexer peut gérer des affectations simples comme "let x = 5;". C'est basique, mais cela vous donne une idée du fonctionnement de l'analyse lexicale.

Vient ensuite l'analyse. C'est ici que nous prenons notre flux de jetons et construisons un arbre de syntaxe abstraite (AST). L'AST représente la structure de notre programme.

Voici un analyseur simple pour notre langage :

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 < tokens.length) {
        ast.body.push(walk());
    }

    return ast;
}

Cet analyseur peut gérer des déclarations de variables simples. Ce n'est pas très robuste, mais cela illustre le concept.

La dernière étape est la génération de code. C'est ici que nous prenons notre AST et le transformons en code JavaScript. Voici un générateur de code simple :

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);
    }
}

Maintenant, nous pouvons tout mettre en place :

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;

Ceci ne fait qu’effleurer la surface. Un véritable compilateur de langage aurait besoin de gérer bien plus : des fonctions, des structures de contrôle, des opérateurs, etc. Mais cela vous donne un avant-goût de ce que cela implique.

À mesure que nous élargissons notre langage, nous devrons ajouter plus de types de jetons à notre lexer, plus de types de nœuds à notre analyseur et plus de cas à notre générateur de code. Nous pourrions également souhaiter ajouter une étape de représentation intermédiaire (IR) entre l'analyse et la génération de code, ce qui peut faciliter la réalisation d'optimisations.

Ajoutons la prise en charge des expressions arithmétiques simples :

// 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;

Notre compilateur peut désormais gérer des expressions telles que "let x = 5 3;".

À mesure que nous continuons à développer notre langue, nous serons confrontés à des défis intéressants. Comment gérons-nous la priorité des opérateurs ? Comment implémentons-nous des structures de contrôle telles que des instructions if et des boucles ? Comment gérons-nous les fonctions et la portée des variables ?

Ces questions nous amènent à des sujets plus avancés. Nous pourrions implémenter une table de symboles pour garder une trace des variables et de leurs portées. Nous pourrions ajouter une vérification de type pour détecter les erreurs avant l'exécution. Nous pourrions même implémenter notre propre environnement d'exécution.

Un domaine particulièrement intéressant est l’optimisation. Une fois que nous avons notre AST, nous pouvons l’analyser et le transformer pour rendre le code résultant plus efficace. Par exemple, nous pourrions implémenter un pliage constant, où nous évaluons les expressions constantes au moment de la compilation :

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

    while (current < input.length) {
        let char = input[current];

        if (char === '=' || char === ';') {
            tokens.push({ type: 'operator', value: char });
            current++;
            continue;
        }

        if (/\s/.test(char)) {
            current++;
            continue;
        }

        if (/[a-z]/i.test(char)) {
            let value = '';
            while (/[a-z]/i.test(char)) {
                value += char;
                char = input[++current];
            }
            tokens.push({ type: 'identifier', value });
            continue;
        }

        if (/\d/.test(char)) {
            let value = '';
            while (/\d/.test(char)) {
                value += char;
                char = input[++current];
            }
            tokens.push({ type: 'number', value });
            continue;
        }

        throw new Error('Unknown character: ' + char);
    }

    return tokens;
}

Nous pourrions appeler cette fonction sur chaque nœud lors de la phase de génération de code.

Un autre sujet avancé est la génération de cartes sources. Les mappages sources permettent aux débogueurs de mapper entre le JavaScript généré et notre code source d'origine, ce qui rend le débogage beaucoup plus facile.

À mesure que nous approfondissons la conception du langage, nous commençons à apprécier les nuances et les compromis impliqués. Notre langage doit-il être fortement typé ou dynamiquement typé ? Comment concilier expressivité et sécurité ? Quelle syntaxe rendra notre langage intuitif et facile à utiliser ?

Construire un langage qui compile en JavaScript nous donne également une perspective unique sur JavaScript lui-même. Nous commençons à comprendre pourquoi certaines décisions de conception ont été prises et nous comprenons mieux les bizarreries et les fonctionnalités du langage.

De plus, ce projet peut améliorer considérablement notre compréhension d'autres langages et outils. De nombreux concepts que nous rencontrons - portée lexicale, systèmes de types, garbage collection - sont fondamentaux pour la conception et la mise en œuvre d'un langage de programmation.

Il convient de noter que même si nous compilons en JavaScript, bon nombre de ces principes s'appliquent également à d'autres langages cibles. Une fois que vous aurez compris les bases, vous pourrez adapter votre compilateur pour produire du code Python, Java ou même du code machine.

En conclusion, il est clair que construire un transpilateur de langage n'est pas une mince tâche. C'est un projet qui peut grandir avec vous, offrant toujours de nouveaux défis et opportunités d'apprentissage. Que vous cherchiez à créer un langage spécifique à un domaine pour un problème particulier ou que vous soyez simplement curieux de savoir comment fonctionnent les langages, ce projet est un excellent moyen d'approfondir vos connaissances en programmation.

N'oubliez pas que l'objectif n'est pas nécessairement de créer le prochain grand langage de programmation. La vraie valeur réside dans le voyage : la compréhension que vous acquérez, les problèmes que vous résolvez et les nouvelles façons de penser que vous développez. N’ayez donc pas peur d’expérimenter, de faire des erreurs et de repousser les limites de ce que vous pensez être possible. Bon codage !

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