كيف تبرمج مترجمًا؟

مقدمة

تُعَدّ المترجمات (Compilers) من الركائز الأساسية في علوم الحاسب، فهي الجسر الذي يربط بين لغات البرمجة عالية المستوى مثل C أو Java وبين لغة الآلة التي يفهمها الحاسوب. بدون المترجمات، لا يمكن تنفيذ البرامج التي يكتبها المبرمجون بلغة قريبة من الإنسان. إن بناء مترجم ليس مهمة بسيطة، لكنه من أعمق وأمتع التحديات في علم الحاسوب، حيث يجمع بين الرياضيات، الخوارزميات، وهندسة البرمجيات.

ما هو المترجم؟

المترجم هو برنامج يحوّل الكود المكتوب بلغة برمجة عالية المستوى إلى كود منخفض المستوى (لغة الآلة أو لغة وسيطة) بحيث يمكن للحاسوب تنفيذه.
يختلف المترجم عن المفسّر (Interpreter)، فالمترجم يحوّل البرنامج كاملًا دفعة واحدة، بينما المفسر ينفذ الكود سطرًا بسطر.

المراحل الأساسية لبناء المترجم

1. التحليل المعجمي (Lexical Analysis)

• الهدف: تقسيم الكود إلى وحدات صغيرة تسمى التوكينات (Tokens) مثل الكلمات المفتاحية، المعرفات، العوامل، والأعداد.

• الأداة المستخدمة: المحلل المعجمي (Lexer أو Scanner).

• مثال: الكود int x = 5; يتحول إلى توكينات مثل: INT, IDENTIFIER(x), ASSIGN, NUMBER(5), SEMICOLON.

2. التحليل النحوي (Syntax Analysis)

• الهدف: التحقق من أن تسلسل التوكينات يتبع قواعد اللغة.

• الأداة المستخدمة: المحلل النحوي (Parser).

• المخرجات: شجرة التحليل النحوي (Parse Tree) أو شجرة البنية المجردة (AST: Abstract Syntax Tree).

3. التحليل الدلالي (Semantic Analysis)

• الهدف: التحقق من معاني الكود، مثل التأكد أن المتغير قد تم تعريفه قبل استخدامه، أو أن نوع البيانات متوافق.

• مثال: لا يمكن جمع عدد صحيح مع نص إلا إذا كانت اللغة تدعم ذلك.

4. التوليد الوسيط (Intermediate Code Generation)

• الهدف: تحويل الكود إلى صيغة وسيطة مستقلة عن الجهاز، لتسهيل التحسين والترجمة النهائية.

• مثال: تمثيل ثلاثي العناوين (Three-Address Code).

5. تحسين الكود (Code Optimization)

• الهدف: جعل الكود الناتج أكثر كفاءة من حيث السرعة أو استهلاك الذاكرة.

• مثال: استبدال عملية ضرب بـ 2 بعملية إزاحة لليسار.

6. توليد الكود الهدف (Code Generation)

• الهدف: إنتاج كود الآلة (Machine Code) أو لغة منخفضة المستوى مثل Assembly.

• هنا يتم التعامل مع سجلات المعالج وإدارة الذاكرة.

7. ربط البرامج (Linking)

• الهدف: دمج الكود الناتج مع المكتبات الخارجية والروابط اللازمة ليصبح برنامجًا جاهزًا للتنفيذ.

الأدوات واللغات المستخدمة في بناء المترجمات

• Lex و Yacc: أدوات تقليدية لتوليد المحللات المعجمية والنحوية.

• ANTLR: مكتبة حديثة لتوليد المترجمات والمفسّرات.

• LLVM: إطار عمل قوي لإنشاء مترجمات حديثة.

• لغات البرمجة المناسبة: C، C++، Java، Python.

مثال مبسط

لنقل أنك تريد كتابة مترجم بسيط للغة مصغرة تدعم العمليات الحسابية فقط:

1. يقرأ المحلل المعجمي التعبير: 3 + 4 * 2.

2. يحوله إلى توكينات: NUMBER(3), PLUS, NUMBER(4), MULTIPLY, NUMBER(2).

3. يبني المحلل النحوي شجرة:

   (+)
/ \
(3) (*)
/ \
(4) (2)


4. يولد الكود الهدف (Assembly أو لغة وسيطة) لتنفيذ العملية.

التحديات في بناء المترجمات

• التعامل مع اللغات المعقدة متعددة القواعد مثل C++ وJava.

• تحسين الأداء ليصبح الكود الناتج سريعًا وفعالًا.

• إدارة الذاكرة والأنظمة المختلفة (Windows، Linux، Mac).

• توفير رسائل أخطاء واضحة تساعد المبرمج.

خاتمة

برمجة مترجم ليست مجرد تمرين أكاديمي، بل هي رحلة تعليمية تفتح أبواب الفهم العميق لعلوم الحاسوب. فالمترجم يجمع بين اللغويات الحسابية، الرياضيات، والهندسة، ويُعَدّ حجر الأساس في جميع لغات البرمجة التي نستخدمها اليوم. تعلم كيفية بناء مترجم يساعد المبرمج على إدراك كيف تعمل البرمجيات من الداخل، ويمنحه القدرة على ابتكار لغات جديدة تلبي احتياجات المستقبل.

تحميل كتاب كيف تبرمج مترجما