编程语言的前后端分离：可用JavaScript运行时作为后端的语言及与传统编程语言的对比 -Typescript、Nim、Moonbit

在现代软件开发中，编程语言的**"前后端分离"**概念鲜有提及，却是语言设计与实现的重要基石。这里的"前端"并非指 Web 开发中的界面部分，而是编程语言实现中的语法解析、词法分析等部分；"后端"则指生成可执行代码或中间代码的部分。这种分离设计为语言跨平台运行和后端灵活适配提供了基础。

我也是今年才知晓这个概念的，觉得它对于语言选择和坚持很重要。有时候我会挣扎于选择某种语言或者不选择，但经常会反复，导致学了很多语言（c/c++/c#/rust/go/zig/swift），但找不到用的动力。由于对于moonbit的深入理解，发现这种前后端分离的方式（使用有限的通讯接口隔离不同职责），或许可以用到更多的地方，于是写这篇文章简单的介绍一下。

一、前后端分离：编程语言设计中的核心理念

前后端分离起源于编译器设计，具体表现为分层式架构。传统编译器的核心流程包括：

1. 词法分析（Lexical Analysis）：将源代码解析为词法单元。
2. 语法分析（Syntax Analysis）：构建语法树并检查语法正确性。
3. 语义分析（Semantic Analysis）：验证逻辑一致性（如类型检查）。
4. 中间代码生成（Intermediate Code Generation）：生成抽象中间表示。
5. 代码优化（Code Optimization）：提高代码效率。
6. 代码生成（Code Generation）：转化为目标平台的机器码或字节码。

这种架构让语言的前端（词法、语法、语义分析）与后端（代码生成、优化）相互独立。例如，TypeScript 的前端生成符合 JavaScript 标准的代码，后端由 JavaScript 引擎处理，使其能够兼容多种平台。

二、前后端分离的优势

1. 跨平台兼容性：前后端分离可以让编程语言在不同平台上运行，只需针对每个平台实现一个后端。例如 TypeScript 可以输出 JavaScript 代码，从而兼容所有支持 JavaScript 的运行时。

2. 性能优化：编程语言的前端在语法分析和语义分析时可以进行错误检查，后端则可以进行优化并生成高效的代码。这种分离使得性能优化更加灵活。

3. 扩展性和维护性：前后端分离让语言实现更加模块化，开发者可以根据不同的需求替换后端，扩展性更强。特别是可以针对特定的后端平台（如 WebAssembly）进行优化。

三、支持 JavaScript 运行时的后端语言

近年来，随着 JavaScript 引擎（如 V8）的性能提升和标准化推进，许多编程语言选择将 JavaScript 作为后端，从而在浏览器或 Node.js 环境中运行。这些语言的前端独立实现语法和语法树等功能，而后端生成 JavaScript 代码或直接在 JavaScript 运行时中执行。以下是几种可使用 JavaScript 运行时的编程语言：

1. TypeScript

• 前端：TypeScript 编译器负责语法解析、类型检查等工作，将 TypeScript 源代码转化为 JavaScript。
• 后端：通过生成 JavaScript 代码，TypeScript 能够在任何支持 JavaScript 的环境中运行，如浏览器和 Node.js。
• 优势：增强了 JavaScript 的类型安全性、IDE 支持和可维护性，同时保持与现有 JavaScript 项目兼容。

2. Nim

• 前端：Nim 编译器将 Nim 源代码转换为中间表示，进行语法检查和优化。
• 后端：可以选择生成 C、C++ 或 JavaScript 代码。生成的 JavaScript 可在浏览器或 Node.js 中运行。
• 优势：提供了高效的代码生成和灵活的语法，同时支持多种后端，具有高度的可移植性。

3. Scala.js

• 前端：Scala.js 的编译器前端负责将 Scala 源代码编译成中间表示。
• 后端：生成兼容 JavaScript 的代码，通过 JavaScript 运行时在浏览器或 Node.js 中执行。
• 优势：利用了 Scala 强大的类型系统和函数式编程能力，并与 JavaScript 完全兼容，适合构建复杂 Web 应用。

4. Elm

• 前端：Elm 编译器负责 Elm 源代码的语法解析和类型检查。
• 后端：生成 JavaScript 代码，方便在浏览器中运行。
• 优势：专注于函数式编程和前端开发，具有强大的可靠性和错误检查能力。

5. Moonbit

• 前端：轻量级设计，适合小型项目。
• 后端：JavaScript 运行时驱动，降低开发者上手门槛。
• 特点：简洁语法和快速迭代能力。

四、非前后端分离语言的跨平台策略

未采用前后端分离的语言也通过多种手段实现跨平台支持：

1. 虚拟机支持

   虚拟机（VM）技术是非前后端分离语言实现跨平台支持的主要方式之一。Java 和 C# 等语言使用虚拟机的方式来实现"一次编译，到处运行"的理念：

   • Java（JVM）：Java 编译器将 Java 代码编译成字节码，然后由 Java 虚拟机（JVM）解释和执行。JVM 支持不同的操作系统，应用程序可以在安装了 JVM 的任何平台上运行。

   • C#（CLR/.NET Core）：C# 代码编译后生成中间语言（IL），然后由 .NET 的公共语言运行时（CLR）解释执行。.NET Core 的推出更进一步增强了跨平台支持，允许 C# 程序在 Windows、Linux 和 macOS 上运行。

   • 优点：

     • 虚拟机为不同平台提供了统一的运行环境，避免了直接依赖操作系统和硬件的实现差异。
     • 支持即时编译（JIT）优化技术，使得字节码可以在运行时转换为本地机器代码，从而提升执行效率。

   • 缺点：

     • 虚拟机的额外抽象层会消耗更多的系统资源，尤其是在嵌入式系统或资源受限的环境中。
     • 由于依赖虚拟机运行，程序在启动时可能会有一定的延迟。

2. 跨平台解释器

   Python 和 Ruby 等解释型语言依赖于跨平台的解释器来实现代码的跨平台执行。这些语言在不同平台上实现了可移植的标准库和解释器（如 CPython、JRuby），使得代码能够在不同的操作系统上运行。

   • Python：Python 的官方实现（CPython）在各个平台上提供相同的接口和功能，确保了 Python 程序的跨平台一致性。此外，通过 Jython、IronPython 等多种实现，Python 代码还可以在 JVM 和 .NET 平台上运行。

   • Ruby：Ruby 使用跨平台解释器 MRI（Matz's Ruby Interpreter）作为标准实现，支持多个操作系统。同时，Ruby 也有 JRuby 和 IronRuby 等实现，以扩展 JVM 和 .NET 平台上的支持。

   • 优点：

     • 解释器的存在使得开发者可以不必关心底层的操作系统细节，只需依赖标准库来实现大多数功能。
     • 解释器的多实现扩展了语言的适用范围，增强了与 JVM、CLR 等环境的互操作性。

   • 缺点：

     • 解释器会影响运行时的性能，尤其是对于 CPU 密集型应用。
     • 由于对标准库的依赖较强，如果库存在平台特性差异，仍可能会影响程序的兼容性。

3. 多后端代码生成

   Go 和 Rust 等编译型语言采用跨平台代码生成器来实现多平台支持。它们会根据目标平台编译出不同的二进制文件，以确保在不同操作系统和硬件架构上的执行。

   • Go：Go 通过跨平台编译器支持生成不同平台的二进制文件，例如针对 Windows、Linux 和 macOS 的独立可执行文件。Go 编译器自动处理操作系统差异，使得开发者在编写代码时不必显式区分平台。

   • Rust：Rust 通过 LLVM 编译器链来支持跨平台编译。LLVM 可以将 Rust 代码编译成多种平台的机器码，编译过程能够针对目标平台进行优化，以实现高性能跨平台执行。

   • 优点：

     • 生成的二进制文件为目标平台优化，性能接近原生应用。
     • 无需依赖外部解释器或虚拟机，适用于嵌入式系统等资源受限环境。

   • 缺点：

     • 需要为每个平台单独生成二进制文件，导致打包和分发较为复杂。
     • 代码可能需要适配不同平台的系统 API，在某些情况下增加了维护负担。

4. 接口抽象层

   C 和 C++ 通过抽象不同平台的接口实现跨平台支持。开发者通常使用一些跨平台框架（如 Qt、Boost）或条件编译来解决操作系统间的差异。

   • Qt：Qt 是一个流行的 C++ 跨平台 GUI 框架，通过对不同系统 API 的抽象，使得程序在多个平台上具有一致的用户界面和操作体验。

   • Boost：Boost 提供一系列跨平台的 C++ 库，涵盖线程、文件系统、正则表达式等常见功能，使得代码在不同操作系统上的行为一致。

   • 优点：

     • 允许直接调用底层 API 实现高性能的应用，并通过抽象库减少代码修改量。
     • 由于代码直接编译为目标平台的机器码，通常能够提供较高的运行效率。

   • 缺点：

     • C 和 C++ 跨平台支持往往需要大量条件编译代码，代码复杂度和维护成本较高。
     • 不同平台间仍可能出现不兼容的情况，尤其是调用系统 API 时。

5. WebAssembly

   WebAssembly 是一种跨平台的字节码格式，主要用于浏览器中，但现在越来越多地作为通用的跨平台执行环境。WebAssembly 支持多种编程语言的编译目标，允许这些语言的代码在支持 Wasm 的任何环境中运行。

   • 适用语言：Rust、C/C++、AssemblyScript、Go 等语言都支持编译为 WebAssembly 格式。
   • 优势：不受操作系统限制，具有高效的性能，支持在浏览器中运行，未来有望用于更多非浏览器环境。
   • 缺点：在非浏览器环境的应用还处于初期阶段，对于 I/O 及操作系统交互支持有限。

前后端分离语言图例与源码至执行流程图示

说明

图例解释

• 词法分析：将源代码拆分为可识别的最小单位（词法单元）。
• 语法分析：根据语言的语法规则，组织词法单元形成语法树。
• 语义分析：检查代码的逻辑一致性，如类型匹配、作用域等。
• 中间代码生成：生成独立于平台的中间代码，便于后续优化。
• 代码优化：优化中间代码，提高运行效率。
• 代码生成：生成目标平台代码，如 JavaScript 或机器码。
• 代码执行：在目标环境中运行生成的代码并得到结果。

流程对比

• 前后端分离架构：前端专注于解析和语义分析，后端生成可执行代码。这种设计允许使用多种后端（如 JavaScript 引擎或 WebAssembly）。
• 传统语言架构：完整编译器负责所有任务，从解析到生成目标代码。编译器直接输出针对特定平台的机器码，执行效率高但灵活性较低。

五、总结

前后端分离的语言设计大幅提升了编程语言的灵活性和可扩展性。以 JavaScript 运行时为后端的语言（如 TypeScript、Nim、Scala.js 等）展现了跨平台开发的巨大潜力，同时为现代 Web 和服务器端开发提供了新的可能性。

在多样化的开发需求和环境中，前后端分离与传统跨平台策略各具优劣，但其核心目标始终是降低开发复杂度，提升代码的适用范围和运行效率。未来，随着 WebAssembly 和 JavaScript 生态的进一步发展，更多创新的语言设计将为开发者带来新的选择和机会。

最后我感觉哈，仓颉语言，或者arkts迟早会支持js后端的，前后端分离的语言可能会越来越多吧~我也想做一个基于js的前端了，裁剪掉一些冗余的语法等，让代码更统一