Forth
Forth — это расширяемый язык программирования со стековой архитектурой, в котором программа строится как последовательность вызовов специализированных слов из встроенного или пользовательского словаря. Архитектурно система Forth представляет собой не просто язык программирования, но и виртуальную машину, а в некоторых реализациях и полноценную операционную систему. Отличаясь экстремальным минимализмом, отсутствием строгой типизации и использованием обратной польской записи, язык предоставляет разработчику полный контроль над аппаратными ресурсами и процессом компиляции.
История создания и стандартизация
Язык был разработан в начале 1970-х годов (официальным годом создания считается 1971 год) программистом Чарльзом Муром в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Первоначальной задачей Мура было написание программного обеспечения для сбора и обработки данных с радиотелескопа.
Изначально создатель планировал назвать язык английским словом «Fourth» (четвертый), подразумевая, что это язык четвертого поколения. Однако разработка велась на вычислительной машине IBM 1130, операционная система которой накладывала жесткое ограничение на длину имен файлов — не более пяти символов. Из-за этого ограничения буква «u» была отброшена, и язык получил название Forth. Впоследствии это название стало ассоциироваться с английским словом «вперед».
Вторым в мире программистом на данном языке стала сотрудница Мура — Элизабет Ратер. Практически сразу после создания языка они совместно основали компанию FORTH, Inc., которая занялась портированием среды на различные компьютеры и популяризацией инструмента. Бурное развитие и адаптация под множество платформ привели к необходимости стандартизации. В конце 1970-х годов независимая группа пользователей fig (Forth Interest Group) выпустила первый стандарт fig-Forth. В дальнейшем были приняты стандарты Forth-77, Forth-78, Forth-79, Forth-83. В 1994 году был утвержден стандарт ANS Forth, а последним крупным обновлением является стандарт Forth-2012.
Архитектура и парадигма программирования
Forth не имеет жестко заданной парадигмы программирования (объектно-ориентированной, функциональной и т.д.). Язык часто классифицируется как метаязык, так как его архитектура позволяет разработчику самостоятельно задать любую желаемую парадигму путем определения соответствующих базовых конструкций.
Концептуально программа не воспринимается как классический монолитный код. Система представляет собой лингвистическую среду, состоящую из словаря. Минимальной единицей исполнения является «слово». Любая программа представляет собой набор слов, разделенных пробелами. Словарь изначально содержит базовые примитивы, и программист расширяет его, определяя новые слова через уже существующие. С точки зрения системы новые скомпилированные слова ничем не отличаются от базовых конструкций. Этот принцип постоянного расширения базового словаря делает Forth идеологически близким к языку Лисп.
Язык не имеет системы типов данных. Все значения, помещаемые в память или на стек, трактуются исключительно как нетипизированные числа или байты. Контроль за корректностью типов полностью ложится на плечи программиста. По уровню взаимодействия с памятью язык во многом сопоставим с ассемблером.
Структура словаря и механизмы компиляции
Словарь имеет древовидную структуру. Каждое слово в словаре описывается специальной статьей. Статья имеет строгую структуру и включает в себя:
- Идентификатор (имя статьи).
- Поле флагов (например, флаг немедленного исполнения или флаг компиляции).
- Поле связи (указатель на предыдущую статью для обеспечения поиска по словарю).
- Поле кода (указатель на исполняемый код статьи).
- Поле параметров (содержит специфическую семантику слова).
Статьи делятся на низкоуровневые (машинные примитивы, где поле кода напрямую указывает на исполняемую процедуру) и высокоуровневые. Высокоуровневые статьи содержат в поле параметров указатели на другие словарные статьи, а их поле кода ссылается на встроенный интерпретатор ссылок.
В Forth реализована концепция «шитого кода» (threaded code), при которой программа состоит не из машинных инструкций, а из списка адресов (указателей) на другие подпрограммы. Основные виды кода в системе:
- Машинный код (прямые инструкции процессора).
- Подпрограммный шитый код (используется аппаратный стек процессора).
- Шитый код (используется программный стек данных).
- Косвенный шитый код (вызовы и примитивы записываются в одном сегменте).
- Байт-код (последовательность байтов, ссылающаяся на таблицу из 256 адресов, занимающую около 64 килобайт памяти, что обеспечивает высочайшую кроссплатформенность и позволяет эмулировать любые аппаратные платформы).
Транслятор обрабатывает последовательность слов (токенов). Если токен найден в словаре, он выполняется. Если установлен флаг компиляции, указатель на слово дописывается в новую создаваемую статью. Если слово не найдено в словаре, транслятор пытается интерпретировать его как число и поместить на вершину стека данных. Наличие специальных флагов позволяет переключать систему из режима компиляции в режим интерпретации и обратно прямо во время выполнения программы.
Синтаксис и примеры
Синтаксис отличается полным отсутствием привычных ключевых слов, скобок для передачи параметров и классических математических выражений. Вместо этого используется обратная польская запись (постфиксная нотация) и активная работа со стеком данных и стеком возвратов. Параметры передаются между словами исключительно через ячейки стека. Лишь в стандарте 1994 года была добавлена поддержка именованных локальных переменных.
Из-за обратной польской записи порядок слов противоположен классическим языкам. В профессиональной среде разработчиков существует шутка о том, что персонаж Йода из вселенной «Звездных войн», говорящий с обратным порядком слов, является старым программистом на Forth.
Например, традиционная проверка числа на равенство нулю записывается не как логическое выражение с двумя операндами, а как операция, применяемая к вершине стека:
0=
Данное слово извлекает значение с вершины стека, проверяет его на равенство нулю и помещает обратно результат логической проверки (флаг). Аналогичным образом конструируются условные ветвления, выводящие текст в зависимости от того, положительное число находится на стеке, отрицательное или ноль.
Пример концептуальной конструкции для создания строковой константы в памяти:
Create
При вызове этого слова создается определение в словаре. Во время исполнения такого определения на стек автоматически помещается адрес указателя на ту область памяти, которая была выделена на этапе компиляции данного слова, после чего выполняется пользовательский код.
Сферы применения
Пик популярности языка пришелся на 1980-е годы. Чрезвычайная компактность виртуальной машины позволила применять язык в системах с жестко ограниченными вычислительными ресурсами.
К наиболее известным примерам индустриального применения относятся:
- Программирование глубоководных аппаратов, в том числе тех, что использовались при поиске и обследовании затонувшего лайнера «Титаник».
- Написание программного обеспечения для космических челноков «Спейс Шаттл».
- Системы автоматизации и управления в международном аэропорту имени короля Халида (Эр-Рияд).
- Системы компьютерного зрения и медицинской диагностики (автоматизация анализа крови, кардиологический контроль).
- Разработка компьютерных игр в эпоху ранних персональных ЭВМ.
Существуют аппаратные процессоры, чья система команд изначально спроектирована для прямого исполнения кода Forth. Кроме того, считается, что язык оказал косвенное архитектурное влияние на создание языка описания страниц PostScript, хотя автор Forth отрицал прямую связь между этими технологиями.
Преимущества и недостатки
Главным преимуществом языка является феноменальная компактность и скорость исполнения. В 1980-е годы размер компилятора и исходного кода на Forth был в 10–20 раз меньше аналогичных программ на языке C. В некоторых специализированных операционных системах программы на Forth оказывались до тысячи раз меньше и быстрее конкурентов. Архитектура словаря значительно упрощает процесс отладки: программист может декомпилировать, тестировать и отлаживать каждое отдельное слово (микрокомпонент) изолированно от остальной программы, не загружая систему целиком. Легкость переопределения словаря позволяет адаптировать язык под любой национальный алфавит (например, писать полностью на русском языке).
Ключевые недостатки вытекают из философии языка. Использование обратной польской записи и отсутствие структурированных списков параметров делают код интуитивно непонятным для специалистов, обученных классическим парадигмам (процедурному программированию в стиле C или Pascal). Полное отсутствие системы типов данных и встроенной защиты от ошибок требует от программиста высочайшей квалификации, жесткой самодисциплины и точного контроля за состоянием стека. Сегодня язык часто критикуют как устаревший инструмент, архитектурно оптимизированный исключительно для маломощных компьютеров прошлого века, где экономия каждого байта памяти имела решающее значение.