前端与编译原理——用JS写一个JS解释器

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说起编译原理,印象往往只停留在本科时那些枯燥的课程和晦涩的概念。作为前端开发者,编译原理似乎离我们很远,对它的理解很可能仅仅局限于“抽象语法树(AST)”。但这仅仅是个开头而已。编译原理的使用,甚至能让我们利用JS直接写一个能运行JS代码的解释器。

项目地址:https://github.com/jrainlau/c…

在线体验:https://codepen.io/jrainlau/p…

一、为什么要用JS写JS的解释器

接触过小程序开发的同学应该知道,小程序运行的环境禁止new Functioneval等方法的使用,导致我们无法直接执行字符串形式的动态代码。此外,许多平台也对这些JS自带的可执行动态代码的方法进行了限制,那么我们是没有任何办法了吗?既然如此,我们便可以用JS写一个解析器,让JS自己去运行自己。

在开始之前,我们先简单回顾一下编译原理的一些概念。

二、什么是编译器

说到编译原理,肯定离不开编译器。简单来说,当一段代码经过编译器的词法分析、语法分析等阶段之后,会生成一个树状结构的“抽象语法树(AST)”,该语法树的每一个节点都对应着代码当中不同含义的片段。

比如有这么一段代码:

经过编译器处理后,它的AST长这样:

常见的JS编译器有babylonacorn等等,感兴趣的同学可以在AST explorer这个网站自行体验。

可以看到,编译出来的AST详细记录了代码中所有语义代码的类型、起始位置等信息。这段代码除了根节点Program外,主体包含了两个节点VariableDeclarationExpressionStatement,而这些节点里面又包含了不同的子节点。

正是由于AST详细记录了代码的语义化信息,所以Babel,Webpack,Sass,Less等工具可以针对代码进行非常智能的处理。

三、什么是解释器

如同翻译人员不仅能看懂一门外语,也能对其艺术加工后把它翻译成母语一样,人们把能够将代码转化成AST的工具叫做“编译器”,而把能够将AST翻译成目标语言并运行的工具叫做“解释器”。

在编译原理的课程中,我们思考过这么一个问题:如何让计算机运行算数表达式1+2+3:

当机器执行的时候,它可能会是这样的机器码:

而运行这段机器码的程序,就是解释器。

在这篇文章中,我们不会搞出机器码这样复杂的东西,仅仅是使用JS在其runtime环境下去解释JS代码的AST。由于解释器使用JS编写,所以我们可以大胆使用JS自身的语言特性,比如this绑定、new关键字等等,完全不需要对它们进行额外处理,也因此让JS解释器的实现变得非常简单。

在回顾了编译原理的基本概念之后,我们就可以着手进行开发了。

四、节点遍历器

通过分析上文的AST,可以看到每一个节点都会有一个类型属性type,不同类型的节点需要不同的处理方式,处理这些节点的程序,就是“节点处理器(nodeHandler)”

定义一个节点处理器:

关于节点处理器的具体实现,会在后文进行详细探讨,这里暂时不作展开。

有了节点处理器,我们便需要去遍历AST当中的每一个节点,递归地调用节点处理器,直到完成对整棵语法书的处理。

定义一个节点遍历器(NodeIterator):

理论上,节点遍历器这样设计就可以了,但仔细推敲,发现漏了一个很重要的东西——作用域处理。

回到节点处理器的VariableDeclaration()方法,它用来处理诸如const a = 1这样的变量声明节点。假设它的代码如下:

问题在于,处理完变量声明节点以后,理应把这个变量保存起来。按照JS语言特性,这个变量应该存放在一个作用域当中。在JS解析器的实现过程中,这个作用域可以被定义为一个scope对象。

改写节点遍历器,为其新增一个scope对象

然后节点处理函数VariableDeclaration()就可以通过scope保存变量了:

关于作用域的处理,可以说是整个JS解释器最难的部分。接下来我们将对作用域处理进行深入的剖析。

五、作用域处理

考虑到这样一种情况:

运行结果必然是能够打印出a的值,然后报错:Uncaught ReferenceError: b is not defined

这段代码就是涉及到了作用域的问题。块级作用域或者函数作用域可以读取其父级作用域当中的变量,反之则不行,所以对于作用域我们不能简单地定义一个空对象,而是要专门进行处理。

定义一个作用域基类Scope

这里使用了一个叫做simpleValue()的函数来定义变量值,主要用于处理常量:

处理作用域问题思路,关键的地方就是在于JS语言本身寻找变量的特性——优先当前作用域,父作用域次之,全局作用域最后。反过来,在节点处理函数VariableDeclaration()里,如果遇到块级作用域且关键字为var,则需要把这个变量也定义到父级作用域当中,这也就是我们常说的“全局变量污染”。

JS标准库注入

细心的读者会发现,在定义Scope基类的时候,其全局作用域globalScope被赋值了一个standardMap对象,这个对象就是JS标准库。

简单来说,JS标准库就是JS这门语言本身所带有的一系列方法和属性,如常用的setTimeoutconsole.log等等。为了让解析器也能够执行这些方法,所以我们需要为其注入标准库:

这样就相当于往解析器的全局作用域当中注入了console这个对象,也就可以直接被使用了。

六、节点处理器

在处理完节点遍历器、作用域处理的工作之后,便可以来编写节点处理器了。顾名思义,节点处理器是专门用来处理AST节点的,上文反复提及的VariableDeclaration()方法便是其中一个。下面将对部分关键的节点处理器进行讲解。

在开发节点处理器之前,需要用到一个工具,用于判断JS语句当中的returnbreakcontinue关键字。

关键字判断工具Signal

定义一个Signal基类:

有了它,就可以对语句当中的关键字进行判断处理,接下来会有大用处。

1、变量定义节点处理器——VariableDeclaration()

最常用的节点处理器之一,负责把变量注册到正确的作用域。

2、标识符节点处理器——Identifier()

专门用于从作用域中获取标识符的值。

3、字符节点处理器——Literal()

返回字符节点的值。

4、表达式调用节点处理器——CallExpression()

用于处理表达式调用节点的处理器,如处理func()console.log()等。

5、表达式节点处理器——MemberExpression()

区分于上面的“表达式调用节点处理器”,表达式节点指的是person.sayconsole.log这种函数表达式。

6、块级声明节点处理器——BlockStatement()

非常常用的处理器,专门用于处理块级声明节点,如函数、循环、try...catch...当中的情景。

可以看到这个处理器里面有两个for...of循环。第一个用于处理块级内语句,第二个专门用于识别关键字,如循环体内部的breakcontinue或者函数体内部的return

7、函数定义节点处理器——FunctionDeclaration()

往作用当中声明一个和函数名相同的变量,值为所定义的函数:

8、函数表达式节点处理器——FunctionExpression()

用于定义一个函数:

9、this表达式处理器——ThisExpression()

该处理器直接使用JS语言自身的特性,把this关键字从作用域中取出即可。

10、new表达式处理器——NewExpression()

this表达式类似,也是直接沿用JS的语言特性,获取函数和参数之后,通过bind关键字生成一个构造函数,并返回。

11、For循环节点处理器——ForStatement()

For循环的三个参数对应着节点的inittestupdate属性,对着三个属性分别调用节点处理器处理,并放回JS原生的for循环当中即可。

同理,for...inwhiledo...while循环也是类似的处理方式,这里不再赘述。

12、If声明节点处理器——IfStatemtnt()

处理If语句,包括ifif...elseif...elseif...else

同理,switch语句、三目表达式也是类似的处理方式。

上面列出了几个比较重要的节点处理器,在es5当中还有很多节点需要处理,详细内容可以访问这个地址一探究竟。

七、定义调用方式

经过了上面的所有步骤,解析器已经具备处理es5代码的能力,接下来就是对这些散装的内容进行组装,最终定义一个方便用户调用的办法。

这里我们定义了一个名为Canjs的基类,接受字符串形式的JS代码,同时可定义标准库之外的变量。当运行run()方法的时候就可以得到运行结果。

八、后续

至此,整个JS解析器已经完成,可以很好地运行ES5的代码(可能还有bug没有发现)。但是在当前的实现中,所有的运行结果都是放在一个类似沙盒的地方,无法对外界产生影响。如果要把运行结果取出来,可能的办法有两种。第一种是传入一个全局的变量,把影响作用在这个全局变量当中,借助它把结果带出来;另外一种则是让解析器支持export语法,能够把export语句声明的结果返回,感兴趣的读者可以自行研究。

最后,这个JS解析器已经在我的Github上开源,欢迎前来交流~

https://github.com/jrainlau/c…

参考资料

从零开始写一个Javascript解析器

微信小程序也要强行热更代码,鹅厂不服你来肛我呀

jkeylu/evil-eval

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