Haskell程序是如何在内部编译和执行的？

Question

我对Haskell（GHC）如何编译程序以及如何运行这些程序感到困惑。

1. GHC是Haskell中非常重要的一个程序示例。然而，GHC的部分内容似乎并不是用Haskell编写的，即运行时环境（用C/C--编写）。这是为什么？出于性能方面的考虑吗？（我知道这个网站和相关信息，但不能理解太多。）
2. 说到运行时环境：为什么一个“编译语言”需要它？编译后的程序不应该只是机器码吗？据我所知，运行时环境有点像虚拟机或字节码解释器，处理某种形式的元代码，并根据其进行实际计算。因此：GHC运行时环境确切地做了什么，为什么它首先是必需的？
3. 关于FFI：如何处理C调用？最初，我认为使用FFI会生成一个包含Haskell和C编译在一起的单个可执行文件。然而，我读过多次，GHC程序似乎从程序中调用了C函数。这对于理解FFI在并行编程方面存在的问题尤为重要。那么：FFI函数与普通的Haskell函数有何不同？

- David

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说到C语言，它甚至使用了一个运行时环境（http://en.wikipedia.org/wiki/Crt0），而这个运行时环境通常并不是用C语言编写的。 - C. A. McCann

那么，GHC运行时究竟是做什么的，为什么它第一次出现就是必要的呢？例如内存管理和线程调度。 - Daniel Fischer

@C.A.McCann提供的链接指的是“运行时库”，这与“运行时环境”不是同一概念。C/C++运行时库与像Java这样的典型运行时环境完全不同。 - Ken White

@David 因为 Haskell 内部并没有处理内存管理的设施，所以它允许你在一个抽象层面上使用类型化的值进行编程，而不是更低层次的操作。 - Kristopher Micinski

@C.A.McCann：Java是对“运行时环境”通常和习惯性使用的一个参考。我认为我写的很清楚了。 - Ken White

Answer 1

要在普通硬件上编译和执行编程语言，您需要以下几个东西：

• 编译器将源语言转换为原生主机可执行的汇编代码
• 支持库（也称为运行时）提供基本语言服务，例如内存管理、IO和线程管理。必须从较低级别的系统服务中利用这些功能。

C、Java和GHC Haskell是此类系统的示例。在GHC的情况下，整个架构在此处描述。这些部分也被单独详细描述。

• 编译器（使用Haskell编写）将Haskell翻译成C、汇编、LLVM位码和其他格式。它使用的策略最好在这里描述：在现有硬件上实现惰性函数式语言：无脊椎无标签G机。

• 运行时服务（也称为“GHC运行时”）在多篇论文中进行了描述：

  1. 带有线程本地堆的多核垃圾回收器
  2. 垃圾回收器服务的工作原理
  3. GHC中多线程的工作原理
  4. 如何实现惰性求值
  5. 运行时如何调用外部语言的代码

- Don Stewart

Answer 2

我可以解释一下运行时（runtime）的含义。

虚拟机是“一种”运行时，但不是唯一的。运行时系统就是程序在执行期间可以假定存在的环境和服务的集合。即使是像C和C ++这样的低级语言也有运行时系统（考虑一下malloc...有人/某物正在为你分配内存，或者甚至是除零检查）。

通常，高级语言具有更丰富的运行时（意味着运行时为执行程序提供了更多的服务），这些服务范围从内存管理（例如垃圾回收）到反射/内省基础设施（例如ruby等）到数组边界检查，但几乎所有语言都具有某种形式的运行时系统（如果仅仅是操作系统）。

- GreyGeek

Answer 3

1: 为什么Haskell不用于编写RTS？

因为RTS涉及到一些无法用Haskell表达的低级操作，就像Linux内核是用C语言编写来运行C程序一样，但Linux内核的某些部分是用汇编语言编写的，而不是C语言。

2: 编译后的程序为什么需要运行时环境？根据我的理解，这类似于Java字节码解释器。

GHCi使用的东西几乎和Java字节码解释器一模一样。但编译后的GHC程序并不需要；编译后的程序是原始机器代码。

相反，Haskell RTS更像是一种迷你操作系统。它进行内存管理、线程调度、某些异常处理方面和事务处理等。每个Haskell程序都在这个迷你操作系统下运行。

（这有点像虽然C程序是编译过的，但它是原始的机器代码，但你仍然不能在没有Windows或Linux等操作系统的情况下运行它。）

例如，每次Haskell程序耗尽内存时，该程序就停止运行，垃圾回收器开始运行。垃圾回收器尝试释放一些内存，一旦释放了，Haskell程序就会再次运行。

每个编译的Haskell程序都有一个垃圾回收器程序的副本，它只是Haskell RTS的一部分。类似地，多个Haskell线程可以在一个操作系统线程中运行，因此RTS内置了线程调度程序。我可以继续下去……

3: FFI如何处理？我认为这些东西都是编译在一起的。

它们确实都是被编译（或链接）在一起的。如果你编写一个C程序，一个C函数可以调用另一个C函数。当Haskell调用C函数时，它几乎就像任何其他函数调用该C函数一样。但根据函数调用所做的事情不同，可能会有一些在Haskell端发生的事情，这可能会增加一些开销。

- MathematicalOrchid