Интерпретаторы являются неотъемлемой частью множества языков программирования, обеспечивая выполнение кода непосредственно без этапа компиляции в машинный язык. В архитектуре интерпретаторов существуют разные подходы к внутреннему представлению программного кода, важнейшими из которых являются обработка абстрактного синтаксического дерева (AST) и байт-кода. Выбор между этими двумя методами накладывает серьезные ограничения и преимущества на производительность, качество реализации и удобство в отладке. Современные исследователи и разработчики продолжают изучать нюансы и компромиссы, которые возникают при проектировании интерпретаторов, что позволяет создавать более эффективные и удобные инструменты для исполнения программ. Абстрактное синтаксическое дерево — это структурированное представление исходного кода, отражающее синтаксис языка программирования, где каждая вершина дерева соответствует определенному языковому конструктиву: условию, циклу, вызову функции и так далее.
Именно AST часто используется как промежуточное представление в компиляторах и интерпретаторах. Такое дерево реализуется в виде объектов или структур, каждая из которых инкапсулирует информацию о конкретной операции. Преимуществами работы с AST являются прозрачность и близость к исходному коду, что облегчает отладку, анализ и оптимизации на уровне языка. Кроме того, архитектура AST предоставляет максимальную гибкость для расширения языка, реализации динамических возможностей и поддержки сложных семантик. Тем не менее, простой подход в виде указательно-ориентированного дерева объектов может приводить к значительным накладным расходам при исполнении из-за затрат на обработку ссылок, аллокацию памяти и навигацию по структурам.
По этой причине, некоторые системы реализуют AST в форме плоских структур на основе массивов или других компактных форм, что повышает локальность данных и снижает нагрузку на кэш процессора. Таким образом, грань между традиционным AST и более низкоуровневым представлением становится размытым, вызывая вопросы о том, насколько тот или иной способ остается «чистым» AST-интерпретатором. В отличие от AST, байт-код представляет собой компактный набор инструкций, обычно в форме чисел или компактных бинарных последовательностей, которые напрямую интерпретируются виртуальной машиной. Он абстрагирует детали исходного синтаксического дерева, группируя операции в тонко настроенный, оптимизированный набор пошаговых действий. За счет более низкой степени абстракции и компактности байт-код может значительно повысить скорость выполнения программ и уменьшить использование памяти.
Именно поэтому многие популярные виртуальные машины, такие как JVM или Python VM, используют байт-код в качестве основной формы промежуточного представления. Однако байт-код также предъявляет свои требования к реализации: разработчики интерпретаторов вынуждены создавать средства генерации, верификации и обслуживания байт-кода, дополнять инструменты отладки специальными механиками для связи с исходным кодом. Кроме того, повышение плотности информации иногда усложняет внесение изменений в язык и интеграцию с хост-средой разработки. В последние годы появились гибридные подходы, в которых байт-код представлен не в виде компактных байтов, а в объектно-ориентированной форме, приближенной к структурам AST. Такие решения позволяют совместить преимущества байт-кода и идей объектной модели, делая переход между уровнями абстракции более плавным.
На конференции ICOOOLPS 2025, проходящей в Бергене, Норвегия, группа исследователей из Университета Кента представила важный анализ, посвященный «пространству между» AST и байт-кодом. В своей работе они подчеркнули, что границы между этими двумя подходами к проектированию интерпретаторов зачастую размыты. Эксперименты, проведенные с различными вариантами реализации в языке Rust, продемонстрировали, что читаемость и простота кода AST-интерпретатора могут сочетаться с высокой производительностью, порой не уступая байт-коду. Ученые выделили несколько ключевых измерений проектирования интерпретаторов. К ним относятся уровень зависимости от хост-языка программирования, близость к механике целевой машины, а также компромиссы по удобству инженерного сопровождения и поддержке инструментов разработки.
В частности, они отметили, что оптимизации, независимые от выбора внутреннего представления программы, оказывают гораздо более сильное влияние на производительность, чем сама исходная форма кода. Это позволяет разработчикам смело выбирать подходящий вариант — от классического AST до гибридных и даже более экспериментальных форм — с фокусом на специфику используемого языка и среды. Одной из важных идей стало осознание того, что интерпретатор — не просто механизм чтения и исполнения программы, а сложная система, которая должна учитывать множество аспектов: от удобства внедрения новых языковых конструкций, через качество диагностики ошибок, до максимальной эффективности исполнения. Именно поэтому архитекторы языков и их интерпретаторов должны анализировать не только скорость, но и затраты на разработку, отладку и поддержку своих систем. Рассматриваемое исследование расширяет традиционное разделение на AST и байт-код, предлагая рассматривать всю архитектуру интерпретаторов как континуум решений, на котором можно найти оптимальный баланс требований конкретного проекта.
Такой подход важен не только для академических исследований, но и для инженерной практики, где каждый дополнительный процент производительности может быть незначимым по сравнению с возможностями улучшения технического обслуживания и расширения функциональности. В современных условиях развития программных языков и среды разработки различные инновационные техники оптимизации, такие как инлайн-кэширование, предварительный разбор, или адаптивное компилирование, могут значительно улучшить производительность независимо от выбранного внутреннего представления. Это подтверждает мнение исследователей о высокой релевантности оптимизаций в глобальном цикле жизни языкового интерпретатора. Также значимая часть обсуждения в исследовании касалась выбора инструментов и языков программирования для реализации интерпретаторов. Rust, как современный язык системного программирования с поддержкой строгой типизации и эффективного управления памятью, показал отличные результаты для создания как AST, так и байт-код интерпретаторов.
Безопасность, надежность и высокая производительность делают Rust привлекательным выбором для разработки современных интерпретаторов, особенно в контексте растущих требований к качеству и скорости исполнения программ. Выводы исследования стимулируют к пересмотру традиционных представлений о внутреннем устройстве интерпретаторов. Вместо жесткой дихотомии AST против байт-кода рекомендуется рассматривать архитектурные решения с учетом специфики языка, существующих инструментов, целей разработки и даже пользовательского опыта. Такой комплексный взгляд способствует более гибкой и эффективной разработке программных платформ, что крайне важно в условиях быстроменяющегося ландшафта технологий. В итоге, понимание спектра между AST и байт-кодом открывает новые горизонты для проектирования интерпретаторов, позволяя создавать инструменты, которые сочетают удобство разработки с высокой производительностью.
На конференциях и в научных публикациях продолжается активный обмен опытом и идеями, что делает эту область одной из самых динамичных и перспективных в современной информатике. Внедрение исследований, подобных представленным ученым из Университета Кента, несомненно, способствуют развитию более совершенных и мощных средств исполнения программ, учитывающих множество факторов от низкоуровневой эффективности до комплексной поддержки языковых возможностей.
