นิพจน์ทั่วไป (regular expressions) เป็นเครื่องมือพื้นฐานสำหรับการประมวลผลข้อความมาเป็นเวลานาน แต่ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพทำให้เหล่านักพัฒนาต้องหงุดหงิดมาหลายทศวรรษ ตอนนี้ แนวทางใหม่ที่น่าสนใจโดยใช้เมตาโปรแกรมมิ่งกำลังพลิกโฉมการประมวลผล regex แบบดั้งเดิม ด้วยการย้ายภาระงานการคำนวณจากรันไทม์ไปยังช่วงเวลาคอมไพล์
ชุมชนนักพัฒนากำลังพูดถึงเทคนิคที่เปลี่ยนนิพจน์ทั่วไปให้เป็นโค้ดเนทีฟที่ปรับแต่งอย่างสูงระหว่างการคอมไพล์ ซึ่งอาจขจัดปัญหาคอขวดด้านประสิทธิภาพที่รบกวนการใช้งาน regex มาเป็นเวลาหลายปี
การเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาคอมไพล์
เอนจิน regex แบบดั้งเดิมจะตีความรูปแบบในรันไทม์ สร้างโอเวอร์เฮดที่ทำให้การจับคู่รูปแบบช้าลง แนวทางปฏิวัติที่กำลังพูดถึงในวงการนักพัฒนานี้เกี่ยวข้องกับการใช้เมตาโปรแกรมมิ่งเพื่อแปลงรูปแบบ regex โดยตรงเป็นโค้ดเครื่องที่ปรับแต่งแล้วระหว่างการคอมไพล์ ซึ่งหมายความว่าเอนจิน regex จะหายไปโดยพื้นฐาน และถูกแทนที่ด้วยโค้ดที่สร้างขึ้นพิเศษสำหรับแต่ละรูปแบบ
ผู้แสดงความคิดเห็นหนึ่งคนอธิบายความสำคัญได้อย่างสมบูรณ์แบบ: นี่คือวิธีที่ 'lex' ทำงานเลยทีเดียว ตัวที่เขียนในปี 1987 โดย Vern Paxson แน่นอนว่าแนวคิดในการคอมไพล์รูปแบบเป็นโค้ดที่ปรับแต่งแล้วไม่ใช่เรื่องใหม่ทั้งหมด แต่ภาษาสมัยใหม่กำลังนำไปสู่ระดับความซับซ้อนและประสิทธิภาพที่ไม่เคยมีมาก่อน
เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์รูปแบบ regex ระหว่างการคอมไพล์และสร้างฟังก์ชันเฉพาะทางที่ใช้ลอจิกการจับคู่โดยตรง แทนที่จะใช้ตัวตีความอเนกประสงค์ สิ่งนี้ขจัดโอเวอร์เฮดของการตีความรูปแบบและอนุญาตให้คอมไพเลอร์ใช้การปรับแต่งขั้นสูงทั้งหมดกับลอจิกการจับคู่
บริบททางประวัติศาสตร์:
- 1975: เครื่องมือ 'lex' ต้นฉบับถูกสร้างขึ้นโดย Mike Lesk และ Eric Schmidt
- 1987: โคลน 'flex' ถูกสร้างขึ้นโดย Vern Paxson
- การพัฒนาในยุคปัจจุบันสร้างบนแนวคิดเหล่านี้ด้วยเทคโนโลยีคอมไพเลอร์ขั้นสูง
นวัตกรรมภาษาที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลง
ภาษาการเขียนโปรแกรมสมัยใหม่หลายภาษากำลังนำการเปลี่ยนแปลงนี้ด้วยความสามารถเมตาโปรแกรมมิ่งที่ทรงพลัง ภาษาเช่น Mojo, D, Nim, Zig และ C++ (ตั้งแต่ C++20) สามารถรันโค้ดรันไทม์ปกติระหว่างการคอมไพล์ได้ ทำให้เกิดการปรับแต่งขั้นสูงเหล่านี้ Julia ก็เข้าร่วมกลุ่มระดับสูงนี้ด้วยเช่นกัน ด้วยระบบมาโครที่ซับซ้อนและฟังก์ชันที่สร้างขึ้น
ตามที่นักพัฒนาคนหนึ่งแบ่งปันเกี่ยวกับประสบการณ์ Julia ของพวกเขา: ฉันลงเอยด้วยการใช้ฟังก์ชันที่สร้างขึ้นของ Julia (@generated functions) เพื่อสร้างรุ่นใหม่ของโค้ดการสร้างเมทริกซ์สำหรับแต่ละค่าที่แตกต่างกันของ n สำหรับแต่ละประเภทของกลุ่ม ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วมันจะสร้างโค้ดที่ 'คลี่ออก' (unrolled) ทันทีแล้วใช้ LLVM เพื่อคอมไพล์โค้ดนั้นเพียงครั้งเดียว
นวัตกรรมหลักอยู่ในการปฏิบัติต่อรูปแบบ regex ไม่ใช่ในฐานะข้อมูลที่จะต้องตีความ แต่เป็นข้อกำหนดสำหรับสร้างโค้ดการจับคู่เฉพาะทาง การเปลี่ยนกระบวนทัศน์นี้ทำให้คอมไพเลอร์สามารถใช้การปรับแต่งที่ทำไม่ได้กับตัวตีความรันไทม์แบบดั้งเดิม
ภาษาโปรแกรมที่รองรับการประมวลผลโค้ดในเวลาคอมไพล์:
- Mojo
- D
- Nim
- Zig
- C++ (ตั้งแต่ C++20)
- Julia
- Common Lisp
ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพในโลกจริง
การใช้งานแรกเริ่มแสดงให้เห็นการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมาก นักพัฒนารายงานว่าการแก้ปัญหา regex แบบคอมไพล์ทำงานเร็วขึ้นถึง 17 เท่าเมื่อเทียบกับแนวทางแบบตีความแบบดั้งเดิม การเพิ่มความเร็วมาจากหลายปัจจัย: การขจัดโอเวอร์เฮดการตีความ การใช้แคชที่ดีขึ้น และความสามารถของคอมไพเลอร์ในการใช้การปรับแต่งขั้นสูงกับโค้ดที่สร้างขึ้น
ผู้แสดงความคิดเห็นอีกคนเน้นย้ำการใช้งานเฉพาะทางของพวกเขา: เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ฉันได้เขียนคอมไพเลอร์เฉพาะสำหรับนิพจน์ทั่วไป โดยพื้นฐานแล้วคุณส่งนิพจน์ทั่วไปและได้รับไฟล์อ็อบเจ็กต์ที่มีโค้ดการจับคู่ที่ปรับแต่งแล้ว มันใช้ไลบรารี LLVM ภายในเพื่อทำการปรับแต่งและการสร้างโค้ดเครื่อง
ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพขยายไปเกินกว่าความเร็วการจับคู่แบบดิบ ด้วยการสร้างโค้ดเฉพาะทาง นักพัฒนาสามารถสร้างการใช้งาน regex ที่ปรับแต่งอย่างสมบูรณ์แบบสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะของพวกเขา ขจัดลักษณะทั่วไปที่ไม่จำเป็นที่มักทำให้เอนจิน regex แบบดั้งเดิมช้าลง
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ:
- Traditional interpreted regex: ประสิทธิภาพพื้นฐาน
- Compile-time optimized regex: เร็วขึ้นถึง 17 เท่า
- เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพหลัก: การปรับแต่งรูปแบบเฉพาะ การกำจัดภาระการตีความ การเพิ่มประสิทธิภาพของคอมไพเลอร์
การใช้งานจริงและข้อจำกัด
แนวทางนี้โดดเด่นในสถานการณ์ที่ทราบรูปแบบ regex ในช่วงเวลาคอมไพล์และประสิทธิภาพมีความสำคัญ การกำหนดเส้นทางเว็บ การตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล การประมวลผลบันทึก และเครื่องมือวิเคราะห์ข้อความ ล้วนได้รับประโยชน์อย่างมีนัยสำคัญ เทคนิคนี้มีคุณค่าเป็นพิเศษสำหรับรูปแบบที่ใช้ซ้ำๆ โดยที่ต้นทุนการคอมไพล์ล่วงหน้าถูกแบ่งออกไปตลอดการดำเนินการหลายครั้ง
อย่างไรก็ตาม มีการแลกเปลี่ยน กระบวนการคอมไพล์เองมีความซับซ้อนและใช้เวลามากขึ้น ขนาดของโค้ดที่สร้างขึ้นสามารถเติบโตขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะสำหรับรูปแบบที่ซับซ้อน นอกจากนี้ยังมีความท้าทายในการดีบักโค้ดที่สร้างขึ้น แม้ว่าเครื่องมือสมัยใหม่จะกำลังปรับปรุงในด้านนี้
ตามที่นักพัฒนาคนหนึ่งระบุเกี่ยวกับงานปรับแต่งเมทริกซ์ของพวกเขา: ข้อเสียเพียงอย่างเดียวคือคุณไม่สามารถสร้าง irreps มิติสูงมากได้ เพราะ LLVM จะเริ่มต่อสู้กับปริมาณโค้ดมหาศาลที่มันจำเป็นต้องคอมไพล์ สิ่งนี้เน้นย้ำถึงความท้าทายด้านความสามารถในการขยายขนาดที่ยังคงอยู่กับเทคนิคขั้นสูงเหล่านี้
อนาคตของการจับคู่รูปแบบ
การปฏิวัติ regex ในช่วงเวลาคอมไพล์แสดงถึงแนวโน้มที่กว้างขึ้นในการย้ายงานคำนวณจากรันไทม์ไปยังช่วงเวลาคอมไพล์ เมื่อภาษาการเขียนโปรแกรมยังคงปรับปรุงความสามารถเมตาโปรแกรมมิ่งของพวกเขา เราสามารถคาดหวังว่าจะเห็นโดเมนอื่นๆ นำแนวทางที่คล้ายกันมาใช้มากขึ้น
ความตื่นเต้นของชุมชนเกี่ยวกับเทคนิคเหล่านี้บ่งชี้ว่าเราอยู่ที่จุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในวิธีที่นักพัฒนาคิดเกี่ยวกับการปรับแต่งประสิทธิภาพ แทนที่จะเพียงทำให้อัลกอริธึมที่มีอยู่เร็วขึ้น เรากำลังเห็นการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในวิธีที่ปัญหาได้รับการเข้าถึงและแก้ไข
ผลกระทบขยายเกินกว่าการประมวลผล regex ไปยังโดเมนใดๆ ที่สามารถระบุรูปแบบแล้วปรับแต่งระหว่างการคอมไพล์ ตั้งแต่การแยกวิเคราะห์ไปจนถึงการตรวจสอบความถูกต้องไปจนถึงไปป์ไลน์การเปลี่ยนแปลง แนวทางการปรับแต่งในช่วงเวลาคอมไพล์เสนอเครื่องมือใหม่ที่ทรงพลังสำหรับการสร้างซอฟต์แวร์ประสิทธิภาพสูง
บทสรุป
การเคลื่อนไปสู่การปรับแต่ง regex ในช่วงเวลาคอมไพล์แสดงถึงการผสมผสานที่ซับซ้อนของเทคนิคคอมไพเลอร์แบบดั้งเดิมกับความสามารถของภาษาสมัยใหม่ แม้ว่าแนวทางนี้จะต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อนมากขึ้นและการบูรณาการคอมไพเลอร์ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น แต่ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพทำให้มันน่าสนใจสำหรับหลายแอปพลิเคชัน
เมื่อภาษาการเขียนโปรแกรมยังคงพัฒนาต่อไป เราสามารถคาดหวังว่าเทคนิคเหล่านี้จะเข้าถึงได้ง่ายขึ้นและแพร่หลายมากขึ้น ยุคของ regex ที่ตีความช้าอาจจะอยู่ข้างหลังเราในไม่ช้า และถูกแทนที่ด้วยการจับคู่รูปแบบที่ปรับแต่งโดยคอมไพเลอร์ความเร็วสูงที่รู้สึกเหมือนเวทมนตร์แต่มีพื้นฐานมาจากหลักการวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่มั่นคง
การตอบรับอย่างกระตือรือร้นของชุมชนนักพัฒนาต่อการพัฒนาการเหล่านี้บ่งชี้ว่าเรากำลังเป็นพยานในระยะเริ่มต้นของวิวัฒนาการที่สำคัญในวิธีที่เราจัดการกับการประมวลผลข้อความและการจับคู่รูปแบบในการพัฒนาซอฟต์แวร์
อ้างอิง: The Impossible Optimization, and the Metaprogramming To Achieve It