مقدمة
في علم الحاسوب، المُقيِّم الدائري الفوقي (Meta-circular Evaluator) أو المفسِّر الدائري الفوقي (Meta-circular Interpreter) هو مفسِّر يُعرّف كل ميزة من ميزات لغة البرمجة التي يفسرها باستخدام تلك اللغة نفسها. بمعنى آخر، هو برنامج مكتوب بلغة برمجة قادر على تفسير تلك اللغة نفسها.
تعتبر المقيِّمات الدائرية الفوقية أدوات تعليمية قوية لأنها تسمح للمبرمجين بفهم كيفية عمل لغات البرمجة “من الداخل”. من خلال فحص التعليمات البرمجية للمقيِّم، يمكن للمرء أن يرى كيف يتم تنفيذ الميزات المختلفة للغة، مثل المتغيرات والدوال والتعابير.
غالبًا ما تُستخدم المقيِّمات الدائرية الفوقية كخطوة أولى في عملية تصميم وتنفيذ لغة برمجة جديدة. من خلال البدء بمقيِّم بسيط مكتوب بلغة موجودة، يمكن للمصممين بسرعة تجربة ميزات مختلفة وتقييم فعاليتها. بمجرد أن يكون لديهم تصميم قوي، يمكنهم بعد ذلك تنفيذ مترجم أكثر كفاءة للغة الجديدة.
كيف يعمل المُقيِّم الدائري الفوقي؟
يعمل المُقيِّم الدائري الفوقي عن طريق قراءة التعليمات البرمجية المصدر للبرنامج المراد تفسيره، ثم تنفيذ تلك التعليمات البرمجية خطوة بخطوة. يستخدم المُقيِّم عادةً مجموعة من هياكل البيانات لتمثيل حالة البرنامج، مثل البيئة (Environment) التي تربط المتغيرات بقيمها، ومخزن (Store) يحتوي على قيم المتغيرات.
عندما يواجه المُقيِّم تعبيرًا ما، فإنه يقوم بتقييمه عن طريق تطبيق مجموعة من القواعد. على سبيل المثال، إذا كان التعبير عبارة عن متغير، فإن المُقيِّم يبحث عن قيمة المتغير في البيئة. إذا كان التعبير عبارة عن استدعاء دالة، فإن المُقيِّم يقوم بتقييم وسائط الدالة، ثم ينفذ نص الدالة مع استبدال الوسائط بقيمها.
تتمثل إحدى السمات الرئيسية للمُقيِّم الدائري الفوقي في أنه مكتوب بلغة البرمجة التي يفسرها. وهذا يعني أن المُقيِّم يمكنه تفسير نفسه، مما يجعله أداة قوية للتأمل الذاتي والتحليل.
مثال على مُقيِّم دائري فوقي (Scheme)
يوضح المثال التالي مُقيِّم دائري فوقي بسيط مكتوب بلغة Scheme:
“`scheme
(define (eval exp env)
(cond ((self-evaluating? exp) exp)
((variable? exp) (lookup-variable-value exp env))
((quoted? exp) (text-of-quotation exp))
((assignment? exp) (eval-assignment exp env))
((definition? exp) (eval-definition exp env))
((if? exp) (eval-if exp env))
((lambda? exp)
(make-procedure (lambda-parameters exp)
(lambda-body exp)
env))
((application? exp)
(apply (eval (operator exp) env)
(list-of-values (operands exp) env)))
(else
(error “Unknown expression type — EVAL” exp))))
(define (apply procedure arguments)
(cond ((primitive-procedure? procedure)
(apply-primitive-procedure procedure arguments))
((compound-procedure? procedure)
(eval-sequence
(procedure-body procedure)
(extend-environment
(procedure-parameters procedure)
arguments
(procedure-environment procedure))))
(else
(error “Unknown procedure type — APPLY” procedure))))
“`
هذا المقيِّم هو نسخة مبسطة جدًا، لكنه يوضح المبادئ الأساسية. الدالة `eval` هي الدالة الرئيسية التي تأخذ التعبير والبيئة كمدخلات. وهي تحدد نوع التعبير ثم تنفذ الإجراء المناسب. الدالة `apply` تطبق الإجراء على الوسائط.
فوائد استخدام المُقيِّمات الدائرية الفوقية
هناك العديد من الفوائد لاستخدام المُقيِّمات الدائرية الفوقية، بما في ذلك:
- الفهم الأعمق للغة: تسمح المقيِّمات الدائرية الفوقية للمبرمجين بفهم كيفية عمل لغات البرمجة على مستوى أعمق.
- المرونة: يمكن تعديل المقيِّمات الدائرية الفوقية بسهولة لتجربة ميزات لغة جديدة.
- قابلية النقل: يمكن نقل المقيِّمات الدائرية الفوقية إلى منصات مختلفة بسهولة لأنها مكتوبة بلغة عالية المستوى.
- أداة تعليمية: تعتبر أداة تعليمية قوية لتعلم كيفية عمل لغات البرمجة.
- النماذج الأولية السريعة: تسمح بتطوير نماذج أولية سريعة للغات جديدة.
عيوب استخدام المُقيِّمات الدائرية الفوقية
على الرغم من فوائدها العديدة، إلا أن للمقيِّمات الدائرية الفوقية بعض العيوب:
- الأداء: عادة ما تكون المقيِّمات الدائرية الفوقية أبطأ من المترجمات التقليدية.
- التعقيد: يمكن أن تكون المقيِّمات الدائرية الفوقية معقدة وصعبة الفهم، خاصة بالنسبة للمبتدئين.
- مشاكل الاعتمادية: تعتمد على اللغة الأساسية التي كتبت بها، مما قد يخلق مشاكل في الاعتمادية إذا لم تكن اللغة الأساسية مستقرة أو مدعومة بشكل جيد.
تطبيقات المُقيِّمات الدائرية الفوقية
تُستخدم المقيِّمات الدائرية الفوقية في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك:
- تصميم لغة البرمجة: تُستخدم لتصميم وتنفيذ لغات برمجة جديدة.
- التعليم: تُستخدم لتعليم الطلاب كيفية عمل لغات البرمجة.
- البحث: تُستخدم لإجراء البحوث في لغات البرمجة.
- الأدوات: يمكن استخدامها لتطوير أدوات مثل المصححات والمحللات.
بدائل للمُقيِّمات الدائرية الفوقية
هناك العديد من البدائل للمقيِّمات الدائرية الفوقية، بما في ذلك:
- المترجمات: تقوم المترجمات بترجمة التعليمات البرمجية المصدر إلى كود الآلة، وهو ما يمكن تنفيذه مباشرة بواسطة المعالج.
- المترجمات JIT (Just-In-Time): تقوم مترجمات JIT بترجمة التعليمات البرمجية المصدر إلى كود الآلة أثناء وقت التشغيل.
- الأجهزة الافتراضية: الأجهزة الافتراضية هي برامج تحاكي بنية الكمبيوتر. يمكن استخدامها لتشغيل التعليمات البرمجية المكتوبة بلغات مختلفة.
المُقيِّمات الدائرية الفوقية في لغات مختلفة
يمكن كتابة المُقيِّمات الدائرية الفوقية في العديد من لغات البرمجة. بعض الأمثلة الشائعة تشمل:
- Scheme: Scheme هي لغة وظيفية غالبًا ما تستخدم لكتابة المقيِّمات الدائرية الفوقية بسبب بساطتها وقدرتها على التعبير.
- Lisp: Lisp هي لغة أخرى وظيفية مشابهة لـ Scheme وغالبًا ما تستخدم لنفس الأسباب.
- Smalltalk: Smalltalk هي لغة موجهة للكائنات معروفة بقدرتها على الانعكاس، مما يجعلها مناسبة لكتابة المقيِّمات الدائرية الفوقية.
- JavaScript: على الرغم من أنها أقل شيوعًا، إلا أنه من الممكن كتابة مُقيِّمات دائرية فوقية في JavaScript، خاصة لفهم كيفية عمل اللغة نفسها.
اعتبارات عملية عند بناء مُقيِّم دائري فوقي
عند بناء مُقيِّم دائري فوقي، هناك العديد من الاعتبارات العملية التي يجب أخذها في الاعتبار:
- معالجة الأخطاء: يجب أن يكون المُقيِّم قادرًا على معالجة الأخطاء بأمان وتقديم رسائل خطأ مفيدة.
- إدارة الذاكرة: يجب أن يكون المُقيِّم قادرًا على إدارة الذاكرة بكفاءة لتجنب تسرب الذاكرة.
- الأداء: يجب أن يكون المُقيِّم سريعًا بدرجة كافية للاستخدام العملي. هذا غالبًا ما يكون تحديًا، حيث أن المقيِّمات الدائرية الفوقية عادة ما تكون أبطأ من المترجمات.
- دعم اللغة: يجب أن يدعم المُقيِّم جميع الميزات الأساسية للغة التي يفسرها.
أمثلة تاريخية للمُقيِّمات الدائرية الفوقية
لعبت المُقيِّمات الدائرية الفوقية دورًا مهمًا في تاريخ لغات البرمجة. أحد الأمثلة البارزة هو المُقيِّم الدائري الفوقي لـ Lisp، الذي تم تطويره في الأصل بواسطة جون مكارثي. كان هذا المُقيِّم أداة أساسية في فهم وتطوير Lisp كلغة.
مثال آخر هو المُقيِّم الدائري الفوقي لـ Smalltalk، الذي تم استخدامه لاستكشاف قدرات الانعكاس في اللغة. ساعدت هذه المقيِّمات في تشكيل تطور هذه اللغات وأثرت على تصميم لغات برمجة أخرى.
خاتمة
المُقيِّم الدائري الفوقي هو أداة قوية لفهم لغات البرمجة وتصميمها وتنفيذها. على الرغم من أنها قد لا تكون دائمًا الخيار الأفضل للأداء الأمثل، إلا أنها توفر رؤى قيمة حول آليات عمل اللغة وتسمح بالنماذج الأولية السريعة والتجريب. سواء كنت طالبًا أو باحثًا أو مصمم لغة، فإن فهم المقيِّمات الدائرية الفوقية يمكن أن يعزز فهمك للحوسبة بشكل كبير.