title: 自制简易解释器
date: 2019-02-18 22:00:01
origin: 自制简易解释器
自制简易解释器
用C语言写了一个简单的动态语言解释器, 代码放在了github上面:hedegehog. 编译, 运行可以看看github上的readme.
先简单介绍下这门语言. hedgehog 的多数设计和 python 比较相似, 无需声明变量类型, if,for等语句没有块级作用域. 语法上又有点像 go 语言: if, for不需要(), 但是后面的代码块都必须加{}; 没有while, 不过有for condition {}来替代. 不过行尾必须加;这点和 go 不同. 大多数设计都是为了简化实现方式, 比如必须加{}, ;是为了简化语法的解析.
已实现的功能
-
数据类型
a = 10;//int b = 3.14;//float c = true;//boolean d = null;//null s = "Hello, World!";//string -
控制语句
a = 10; if a > 10 { // `()` is not necessary. b = a+20; } elsif a==10 { b = a+10; } else { b = a-10; } print(b); // block has no local environment, // so 'b' is a global variable. -
循环
for i=0; i<10; i=i+1 { print(i); if i>=4 {break;} } i = 0; for i<10 { if i<5 {continue;} print(i); } -
函数
function也被看作一种值(基本数据类型), 不过目前还没有对它实现垃圾回收, 所以直接以函数赋值或者其他操作会出现内存错误.// 模仿python首页的函数:) func fbi(n) { a, b = 0, 1; for a<n { print(a); a, b = b, a+b;//支持这种赋值方式 } } fbi(100);func factorial(n) { if n==0 {return 1;} return n*factorial(n-1); } print(factorial(5));目前只实现了一个原生函数
print.print接收一个基本数据类型作为参数, 输出并换行, 或者无参数, 直接换行. -
运算符
大多数与c保持一致, 除了&,|. 因为没有提供位运算的功能, 所以直接用这两个符号表示逻辑与和逻辑或.b = 2; a = 10; if a>20 & b<10 { print("`b` is less than 10 and `a` is greater than 20"); } if a>20 | b<10 { print("`b` is less than 10 or `a` is greater than 20"); }
概述
image
首先词法分析和语法分析, 构建分析树. 这里以a=1+2*3+fn();为例, 介绍一下表达式分析树的构建.
首先, 它是一个赋值表达式, 把右边的值1+2*3+fn()赋给左边的变量a. 而1+2*3+fn() 又由加法表达式, 乘法表达式, 函数调用表达式构成. yacc中编写的规则会约束表达式构建的顺序, 构建过程大概是这样的:
a = 1 + 2 * 3 + fn()
identifier = value + value * value + function_call // 词法分析
identifier = value + value * value + value // function_call 约归为value
identifier = value + multiply_expression + value // 根据规则, 先生成乘法表达式
identifier = add_expression + value // 把前两项归约为加法表达式
identifier = add_expression // 继续归约(加法运算遵循从左到右)
identifier = expression // 归约为更一般的普通表达式
assgin_expression // 匹配到赋值表达式的规则, 归约为赋值表达式
expression // 赋值表达式归约为一般表达式
然后就可以构建了下面的分析树了:
image
求值的时候从最底层依次往上求值, 就能得到表达式的值.
语法与词法分析
这部分直接使用lex做词法分析, yacc做语法分析. 这两个工具在大多数UNIX上都有预装, GUN提供的版本分别叫bison, flex. 直接用bison生成的文件可能和yacc有些区别(需要修改生成文件的的文件名, 或者改c语言文件中包含的头文件名), 不过在Linux下安装了bison可以直接使用yacc命令. flex 与 lex 生成文件没有区别.
yacc与lex网上有大量的资料, 而且使用比较简单, 这里就仅作简单的介绍.
lex可以使用正则表达式做匹配:
"func" return FUNCTION;//func 函数定义关键字
[A-Za-z_][A-Za-z0-9_]* {
//辨识符匹配
yylval.identifier = initString(yytext);
return IDENTIFIER;
}
这里的FUNCTION和IDENTIFIER被称为token, 一般在yacc的文件中定义. 在生成的C语言文件中token用枚举变量表示.
lex词法分析的结果会交给yacc处理. yacc使用类似BNF的规范来编写规则.
// 加法表达式由乘法表达式归约, 这样可以限制乘法(除法, 取模)优先于
//加法(减法)运算.
ADD_EXPRESSION:
MUL_EXPRESSION
|
ADD_EXPRESSION ADD MUL_EXPRESSION {
$$ = initBinaryExpression(ADD_OPERATOR, $1, $3);
}
|
ADD_EXPRESSION SUB MUL_EXPRESSION {
$$ = initBinaryExpression(SUB_OPERATOR, $1, $3);
}
;
MUL_EXPRESSION:
UNARY_EXPRESSION//单个单目运算表达式直接归约到乘法表达式
|
MUL_EXPRESSION MUL UNARY_EXPRESSION {
$$ = initBinaryExpression(MUL_OPERATOR, $1, $3);
}
|
MUL_EXPRESSION DIV UNARY_EXPRESSION {
$$ = initBinaryExpression(DIV_OPERATOR, $1, $3);
}
|
MUL_EXPRESSION MOD UNARY_EXPRESSION {
$$ = initBinaryExpression(MOD_OPERATOR, $1, $3);
}
;
词法分析和语法分析属于解释器的前端, 这部分没有自己编写, 主要把精力放在了后端.
表达式与语句
表达式与语句是整个后端最重要的两个模块, 大部分的逻辑都在两者中实现. 这里主要介绍一下表达式, 语句与之类似.
大部分的代码都用C语言实现了面向对象, 这里必须推荐一下刘大的C语言：春节回家过年，我发现只有我没有对象！.
// expression.h
struct ExpressionTag {
void (*free)(Expression *self);
Value (*evaluate)(Expression *self, Environment *env);
Expression *pre;
};
这是表达式接口的结构体, free 和evaluate是C语言中的函数指针, 定义了所有表达式都应该具备的方法. 这个pre看起来有些突兀, 它其实是为了函数传参和多变量同时赋值时链接表达式使用的. 比如a, b = 1, 2;, 1, 2会分别解析为两个表达式, 通过pre链接. 这样的设计可能不符合面向对象, 不过为了实现链表更加简单, 就暂时这样写了.
所有需要释放内存的结构体都有free函数指针, 所以可以定义一个简单的宏#define del(x) x->free(x), 使用del(obj)就可以释放内存了.
下面以赋值表达式介绍一下赋值表达式的实现过程.
// expression.h
void *initAssignExpression(String *id, Expression *expression)
向外提供的唯一接口是initAssignExpression, 也就是说所有一般的表达式在模块外引用时都会被向上转型为Expression, 只有free和evaluate两个方法.
// expression.c
typedef struct {
Expression base;//base必须放在第一个, 保证类型转换时的正确性.
String *id;
Expression *expression;
} AssignExpression;
static Value evaluateAssignExpression(Expression *_self, Environment *env) {
AssignExpression *self = (AssignExpression *) _self;//向下转型为 `AssignExpression`
Value value = self->expression->evaluate(self->expression, env);
// 字符串采用引用计数
on_self(self->id, refer);
//把变量加到environment, 后文会介绍
env->addVariable(env, initVariable(self->id, value));
return value;
}
static void freeAssignExpression(Expression *_self) {
AssignExpression *self = (AssignExpression *) _self;
del(self->expression);
on_self(self->id, release);
free(self);
}
//绑定函数
const static Expression AssignExpressionBase = {freeAssignExpression,evaluateAssignExpression};
void *initAssignExpression(String *id, Expression *expression) {
AssignExpression *exp = malloc(sizeof(AssignExpression));
exp->expression = expression;
//给base赋值, 函数的绑定在new的时候完成.
exp->base = AssignExpressionBase;
exp->id = id;
return exp;
}
AssignExpression的结构体和除init外方法都在.c文件中实现, 并且标记为static, 从而就实现了封装. 在init中实现函数的绑定, 以Expression引用的时候就能调用相应的方法, 这就实现了多态.
其他的表达式根据具体的功能如法炮制.
语句的实现也是类似:
struct StatementTag {
StatementResult (*execute)(Statement *self, Environment *env);
void (*free)(Statement *self);
Statement *next;
};
解释器与运行环境
Environment
struct EnvironmentTag {
void (*addVariable)(Environment *self, Variable *var);
Variable *(*findVariable)(Environment *self, String *id);
void (*free)(Environment *self);
VariableTrie *trie;
};
void *initEnvironment();
运行环境主要负责变量和函数的保存, 查找. Global environment保存所有的全局变量和函数. 函数有独立于 global environment的local environment. for, if等语句块没有environment, 它们使用所在函数或者全局的environment.
Environment中的trie是字典树, 负责记录变量名和函数名.
Interpreter
typedef struct InterpreterTag {
Environment *globalEnv;
StatementList *list;
void (*free)(struct InterpreterTag *);
void (*compile)(struct InterpreterTag *, FILE *);
void (*interpret)(struct InterpreterTag *);
} Interpreter;
Interpreter *initInterpreter();
Interpreter *getCurrentInterpreter();
Interpreter 中compile实现分析树的构建, interpret实现语句的执行. 因为全局只需要一个 interpreter, 所以别的地方可以通过getCurrentInterpreter获取当前interpreter.
总结
整个解释器的大概构成就是这样. 目前只实现了一些简单的功能, 数组, 字典, 垃圾回收(目前只对字符串做了引用计数回收), 文件IO等特性都还没有写. 而且完全没有优化, 运行效率极低. 不过写这个解释器的时候还是收获不少: 深入学习了C语言, 对编译原理有了大概的了解, 更加深刻地理解了面向对象...
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