56Типы кода Форта
В качестве машинного представления скомпилированной форт-программы используется тот или иной вид шитого кода.
При использовании подпрограммного кода получается машинный код, в котором, по сравнению с кодом, сгенерированном компилятором обычного языка программирования, где на единственный стек ложатся и переменные, и адреса возвратов из подпрограмм, отсутствуют операции по «перетаскиванию» параметров подпрограмм. В качестве стека возвратов используется основной стек процессора, стек данных организуется программно.
При использовании шитого кода, отличающегося от подпрограммного, определения Форта, состоящие только из машинного кода, называются примитивы. В таком шитом коде часто стараются использовать основной стек процессора в качестве стека данных, а обращения к данным, лежащим на нём, в виде машинных команд pop и push.
Одно из не совсем очевидных преимуществ использования косвенного шитого кода в том, что весь машинный код, то есть примитивы, вызовы интерпретатора кода и переменных, могут размещаться в одном сегменте кода, который будет недоступен для изменения. Весь остальной код Форта размещается в сегменте данных. Этих сегментов может быть много, а работать с единственным номером сегмента легче, чем с двумя.
Форт системы могут так же использовать байт-код, как логическое завершение развития косвенного шитого кода и свёрнутого шитого кода с адресной таблицей. В этом случае код программы (Форта) представляет собой последовательность байтов, или код некоторого придуманного виртуального процессора. Для исполнения этого кода должна существовать таблица на 256 адресов (2-байтовых, 4- или 8-байтовых), по которым расположены примитивы Форта или сложные определения.
Этот вариант сильно отличается от других видов кода и заслуживает особого внимания.
Как и в косвенном шитом коде, примитивы Форта могут быть расположены в едином сегменте кода, защищённом от вмешательства, прошитом в ПЗУ. Примитивы зависят от конкретной платформы и могут быть выполнены в виде отдельного блока. Вся остальная часть Форта является платформонезависимой и переносимой на любую машину.
Вокруг таблицы на 256 определений группируется отдельный словарь, лексикон, предназначенный для конкретной задачи или группы задач. Эти 256 определений занимают места не более 64К, то есть таблица может содержать 2-байтовые адреса (смещения относительно начала словаря).
Байтовый код позволяет расширить количество определений за счет древовидной структуры словарей до любой величины, сохраняя минимальные размеры программы.
Байтовый код может быть стандартизован. Как и для Java, такой код может быстро пересылаться по сети и исполняться на машинах с любой платформой.
57Примеры программ
." Привет Мир"
Пример определения слова SIGN, печатающего соответствующую фразу в зависимости от знака числа на вершине стека:
: SIGN ( n -- )
DUP 0> IF ." ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО" DROP
ELSE 0=
IF ." НОЛЬ"
ELSE ." ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО"
ENDIF
ENDIF ;
С учётом принятых в языке Форт норм оформления и написания, это должно быть, скорее, слово .SIGN и определяться так:
\ Напечатать знак числа
: .SIGN ( n -- )
?DUP 0= IF
." НОЛЬ"
ELSE
0> IF
." ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО" ELSE
." ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО" ENDIF
ENDIF
;
Пример реального кода, создающего строчную константу в принятом в Форт виде (со счётчиком):
\ Создать "константу" из строки
: S-CONSTANT ( c-addr u "<spaces>name" -- )
CREATE
DUP , 0 ?DO
DUP C@ C, CHAR+
LOOP DROP 0 C,
DOES>
DUP CELL+ SWAP @
;
В этом примере создаётся определение слова name с помощью слова CREATE. При исполнении слова name на стек будет ложиться адрес указателя области памяти, который был во время компиляции слова. Для того, чтобы его можно было как-то использовать, туда записывается («компилируется» строка). При выполнении слова выполняются слова, указанные после слова DOES>.
Таким образом, в этом примере была создана новая синтаксическая конструкция. Подобные возможности редко представлены в других языках программирования.
Кроме создания новых синтаксических конструкций, одной из самых сильных возможностей Форта является возможность вмешиваться в процесс компиляции с помощью слов немедленного исполнения (immediate-слов).
Примеры таких стандартных слов:
[ — Временное переключение в режим исполнения (фактически, часто просто записывает 0 в переменную STATE).
] — Переключиться обратно в режим компиляции.
LITERAL — Компилировать число, в данный момент лежащее на вершине стека, как константу. Также является словом немедленного исполнения.
Пример кода, где используются эти слова:
\ Некоторый размер данных в килобайтах
16 CONSTANT size
\ Напечатать отчёт о пересчёте килобайтов в байты
: report ( -- )
size . ." килобайт эквивалентны "
[ size 1024 * ] LITERAL . ." байтам"
;
58Место Forth среди других языков программирования
Одна из постоянных тем споров вокруг языка Форт — это место, которое он занимает среди «классических» императивных языков. Программы на Форте имеют крайне непривычный вид:
Программа состоит из необычной последовательности слов, среди которых отсутствуют так называемые «ключевые» слова, которые распознаются и обрабатываются, в других языках программирования, специальным образом.
Приведённый пример заодно указывает на уникальную особенность Форта: отсутствие списка параметров в скобках и возможность программировать на родном языке. Использование словарных конструкций родного языка позволяет сделать программу понятной, что повышает её надёжность.
«Обратная польская запись» арифметических выражений и наличие нескольких стеков.
Двойственная природа компилятора Форта. Нельзя утверждать однозначно, является ли Форт компилятором или интерпретатором. Практически всегда его можно использовать в двух режимах, за исключением редких случаев вроде «целевой компиляции» (трансляции в машинный код программы для системы с иной архитектурой).
Отсутствие системы типов. Подобно многим «скриптовым» языкам, в Форте нет встроенной системы типов. Нет возможности узнать, что лежит на вершине стека — число со знаком, число без знака, указатель на строку, символ, или два числа, рассматриваемых как одно длинное число. Эта проблема разрешается двумя основными путями — использованием специальных наборов слов (например, запись и чтение ячеек памяти производят словами ! и @, а символов — словами C! и C@) и вынесением некоторых сущностей в специальные стеки (например, стек чисел с плавающей запятой, согласно стандарту ANSI FORTH 94; он может быть, а может и не быть, реализован с помощью основного стека).
Эти особенности и определяют преимущества и недостатки языка Форт:
Простота идеи, заложенной в Форт, позволяют написать ядро Форт-системы за день.
Свобода, предоставляемая программисту, требует сильного самоконтроля. Входной порог для программирования на Форте ниже, чем у языков типа C++, но требует привыкания и понимания не только возможностей и особенностей синтаксиса Форта, но, также, понимания философии, лежащей в его основе.
Форт не поддерживает никакую парадигму программирования и поддерживает их все одновременно. Написать набор слов для организации ООП в программе на Форте (а их может быть одновременно несколько и они будут отлично уживаться вместе) гораздо проще, чем решить, какие возможности от этого набора слов требуются.
Разбиение программы на множество мелких слов позволяет легко и быстро проверять их по отдельности, передавая им нужные наборы входных параметров и контролируя то, что остаётся на стеке. Фактически, это означает, что для тестирования какого-то компонента программы можно не загружать все зависимые компоненты целиком.
Форт не скрывает ошибки. Этот факт установлен опытным путём. «Отложенные» ошибки в программе на Форте — большая редкость. Ошибки, которые, в обычных языках программирования, скрываются стандартным преобразованием типов (например, int в char в C++ (хотя большинство современных компиляторов выдаст, конечно, предупреждение) или строки в число в каком-нибудь скриптовом языке), практически мгновенно, при следующем же тестовом запуске, «обрушивают» программу.
Форт позволяет сделать декомпиляцию программы. Полученный текст мало отличается от исходного.
Форт позволяет реализовать любую возможность и технологию, которой овладели другие языки и системы. В то же время, он может сделать то, что не под силу другим системам. В нём допустимы приёмы, запрещённые в других языках (например — самомодификация кода). Грамотная методика использования и правильный лексикон могут устранить негативные последствия этих приёмов.
В интерпретаторе легко реализовать все проверки на границы диапазона адресов, а это при создании ОС позволяет отказаться от защищенного режима процессора. Получается существенный выигрыш в скорости работы.
Размер кода Форта для 16-разрядных систем, при грамотном написании программы, иногда в 10-20 раз меньше кода, скомпилированного из программы на Си. Для 32-разрядных систем этот разрыв еще больше. В операционных системах общий выигрыш может составлять уже сотни, а то и тысячи крат. Причина очень простая — готовая задача на Форте имеет размер несколько байт, все вспомогательные подпрограммы реализованы в виде определений, доступных всем. Система на Форте вместится в процессор, в который другие системы влезть в принципе не способны.
Синхронизация процессов и потоков в многозадачных системах, переключение контекста, реализация доступа к ограниченным ресурсам — сложнейшие проблемы при написании ОС. Для поддержки этих возможностей даже создаются специальные команды в микропроцессорах. Для интерпретатора это вообще не проблема, поскольку он эмулирует любой процессор и любую необходимую команду.
Возможно, что на самом деле больше всего развитию Форта препятствует «тяжёлое наследство», пришедшее от машин с низкими возможностями, для которых он изначально создавался. В последнем стандарте (ANSI FORTH 94), существуют, например, следующие особенности:
Переносимая программа должна предполагать, что стек чисел с плавающей запятой может быть реализован с использованием основного стека. К счастью, для большинства современных компиляторов это не так. Но сам факт наличия такого пункта в стандарте создаёт определённые неудобства. При программировании с активным использованием арифметики с плавающей точкой, эту норму стандарта традиционно игнорируют.
Аналогичная норма существует относительно стека потока управления. Здесь всё не так просто, так как часто это именно так и есть — в процессе компиляции стек используется самим компилятором. В абсолютном большинстве случаев никакого влияния на программу это не оказывает, но про саму особенность надо помнить. Например, если вы хотите в процессе компиляции вычислить какое-то число, за пределами начала определения, а потом вставить его в слово как константу, то для этого придётся использовать какой-либо обходной путь.
Определения многих слов в стандарте слишком низкоуровневые. Например, слово 2* производит не умножение на два, как следует из его названия, а «смещает число на один бит к старшему двоичному разряду, заполняя младший бит нулём». Конечно, на большинстве современных машин — это одно и то же, но сам факт использования особенностей конкретной архитектуры настораживает. (Существуют также более очевидные стандартные слова для сдвига битов — LSHIFT и RSHIFT.)
Многие из этих особенностей — следствие того, что на момент принятия стандарта существовало множество плохо совместимых Форт-систем, которые базировались на двух частично различающихся стандартах 79 и 83 года. В настоящий происходит обсуждение принятия европейского стандарта Форта. Перспективы этого начинания пока не ясны. |
