详细介绍用 JavaScript 写一个超小型编译器的示例代码
程序员文章站
2022-04-11 10:52:16
...
这是一个用JavaScript编写的编译器，虽然是一个很小很小的并没有什么卵用的编译器，但可以向我们展示编译器的很多东西。今天我把它翻译了出来，供大家学习和讨论。
/**
* 今天让我们来写一个编译器，一个超级无敌小的编译器！它小到如果把所有注释删去的话，大概只剩
* 200行左右的代码。
*
* 我们将会用它将 lisp 风格的函数调用转换为 C 风格。
*
* 如果你对这两种风格不是很熟悉，下面是一个简单的介绍。
*
* 假设我们有两个函数，`add` 和 `subtract`，那么它们的写法将会是下面这样：
*
* LISP C
*
* 2 + 2 (add 2 2) add(2, 2)
* 4 - 2 (subtract 4 2) subtract(4, 2)
* 2 + (4 - 2) (add 2 (subtract 4 2)) add(2, subtract(4, 2))
*
* 很简单对吧？
*
* 这个转换就是我们将要做的事情。虽然这并不包含 LISP 或者 C 的全部语法，但它足以向我们
* 展示现代编译器很多要点。
*
*/
/**
* 大多数编译器可以分成三个阶段：解析（Parsing），转换（Transformation）以及代码
* 生成（Code Generation）
*
* 1. *解析*是将最初原始的代码转换为一种更加抽象的表示（译者注：即AST）。*
*
* 2. *转换*将对这个抽象的表示做一些处理，让它能做到编译器期望
* 它做到的事情。
*
* 3. *代码生成*接收处理之后的代码表示，然后把它转换成新的代码。
*/
/**
* 解析（Parsing）
* -------
*
* 解析一般来说会分成两个阶段：词法分析（Lexical Analysis）和语法分析（Syntactic Analysis）。
*
* 1. *词法分析*接收原始代码，然后把它分割成一些被称为 Token 的东西，这个过程是在词法分析
* 器（Tokenizer或者Lexer）中完成的。
*
* Token 是一个数组，由一些代码语句的碎片组成。它们可以是数字、标签、标点符号、运算符，
* 或者其它任何东西。
*
* 2. *语法分析* 接收之前生成的 Token，把它们转换成一种抽象的表示，这种抽象的表示描述了代
* 码语句中的每一个片段以及它们之间的关系。这被称为中间表示（intermediate representation）
* 或抽象语法树（Abstract Syntax Tree， 缩写为AST）
*
* 抽象语法树是一个嵌套程度很深的对象，用一种更容易处理的方式代表了代码本身，也能给我们
* 更多信息。
*
* 比如说对于下面这一行代码语句：
*
* (add 2 (subtract 4 2))
*
* 它产生的 Token 看起来或许是这样的：
*
* [
* { type: 'paren', value: '(' },
* { type: 'name', value: 'add' },
* { type: 'number', value: '2' },
* { type: 'paren', value: '(' },
* { type: 'name', value: 'subtract' },
* { type: 'number', value: '4' },
* { type: 'number', value: '2' },
* { type: 'paren', value: ')' },
* { type: 'paren', value: ')' }
* ]
*
* 它的抽象语法树（AST）看起来或许是这样的：
*
* {
* type: 'Program',
* body: [{
* type: 'CallExpression',
* name: 'add',
* params: [{
* type: 'NumberLiteral',
* value: '2'
* }, {
* type: 'CallExpression',
* name: 'subtract',
* params: [{
* type: 'NumberLiteral',
* value: '4'
* }, {
* type: 'NumberLiteral',
* value: '2'
* }]
* }]
* }]
* }
*/
/**
* 转换（Transformation）
* --------------
*
* 编译器的下一步就是转换。它只是把 AST 拿过来然后对它做一些修改。它可以在同种语言下操
* 作 AST，也可以把 AST 翻译成全新的语言。
*
* 下面我们来看看该如何转换 AST。
*
* 你或许注意到了我们的 AST 中有很多相似的元素，这些元素都有 type 属性，它们被称为 AST
* 结点。这些结点含有若干属性，可以用于描述 AST 的部分信息。
*
* 比如下面是一个“NumberLiteral”结点：
*
* {
* type: 'NumberLiteral',
* value: '2'
* }
*
* 又比如下面是一个“CallExpression”结点：
*
* {
* type: 'CallExpression',
* name: 'subtract',
* params: [...nested nodes go here...]
* }
*
* 当转换 AST 的时候我们可以添加、移动、替代这些结点，也可以根据现有的 AST 生成一个全新
* 的 AST
*
* 既然我们编译器的目标是把输入的代码转换为一种新的语言，所以我们将会着重于产生一个针对
* 新语言的全新的 AST。
*
*
* 遍历（Traversal）
* ---------
*
* 为了能处理所有的结点，我们需要遍历它们，使用的是深度优先遍历。
*
* {
* type: 'Program',
* body: [{
* type: 'CallExpression',
* name: 'add',
* params: [{
* type: 'NumberLiteral',
* value: '2'
* }, {
* type: 'CallExpression',
* name: 'subtract',
* params: [{
* type: 'NumberLiteral',
* value: '4'
* }, {
* type: 'NumberLiteral',
* value: '2'
* }]
* }]
* }]
* }
*
* So for the above AST we would go:
* 对于上面的 AST 的遍历流程是这样的：
*
* 1. Program - 从 AST 的顶部结点开始
* 2. CallExpression (add) - Program 的第一个子元素
* 3. NumberLiteral (2) - CallExpression (add) 的第一个子元素
* 4. CallExpression (subtract) - CallExpression (add) 的第二个子元素
* 5. NumberLiteral (4) - CallExpression (subtract) 的第一个子元素
* 6. NumberLiteral (4) - CallExpression (subtract) 的第二个子元素
*
* 如果我们直接在 AST 内部操作，而不是产生一个新的 AST，那么就要在这里介绍所有种类的抽象，
* 但是目前访问（visiting）所有结点的方法已经足够了。
*
* 使用“访问（visiting）”这个词的是因为这是一种模式，代表在对象结构内对元素进行操作。
*
* 访问者（Visitors）
* --------
*
* 我们最基础的想法是创建一个“访问者（visitor）”对象，这个对象中包含一些方法，可以接收不
* 同的结点。
*
* var visitor = {
* NumberLiteral() {},
* CallExpression() {}
* };
*
* 当我们遍历 AST 的时候，如果遇到了匹配 type 的结点，我们可以调用 visitor 中的方法。
*
* 一般情况下为了让这些方法可用性更好，我们会把父结点也作为参数传入。
*/
/**
* 代码生成（Code Generation）
* ---------------
*
* 编译器的最后一个阶段是代码生成，这个阶段做的事情有时候会和转换（transformation）重叠，
* 但是代码生成最主要的部分还是根据 AST 来输出代码。
*
* 代码生成有几种不同的工作方式，有些编译器将会重用之前生成的 token，有些会创建独立的代码
* 表示，以便于线性地输出代码。但是接下来我们还是着重于使用之前生成好的 AST。
*
* 我们的代码生成器需要知道如何“打印”AST 中所有类型的结点，然后它会递归地调用自身，直到所
* 有代码都被打印到一个很长的字符串中。
*
*/
/**
* 好了！这就是编译器中所有的部分了。
*
* 当然不是说所有的编译器都像我说的这样。不同的编译器有不同的目的，所以也可能需要不同的步骤。
*
* 但你现在应该对编译器到底是个什么东西有个大概的认识了。
*
* 既然我全都解释一遍了，你应该能写一个属于自己的编译器了吧？
*
* 哈哈开个玩笑，接下来才是重点 : P
*
* 所以我们开始吧...
*/
/**
* ============================================================================
* (/^▽^)/
* 词法分析器（Tokenizer）!
* ============================================================================
*/
/**
* 我们从第一个阶段开始，即词法分析，使用的是词法分析器（Tokenizer）。
*
* 我们只是接收代码组成的字符串，然后把它们分割成 token 组成的数组。
*
* (add 2 (subtract 4 2)) => [{ type: 'paren', value: '(' }, ...]
*/
// 我们从接收一个字符串开始，首先设置两个变量。
function tokenizer(input) {
// `current`变量类似指针，用于记录我们在代码字符串中的位置。
var current = 0;
// `tokens`数组是我们放置 token 的地方
var tokens = [];
// 首先我们创建一个 `while` 循环， `current` 变量会在循环中自增。
//
// 我们这么做的原因是，由于 token 数组的长度是任意的，所以可能要在单个循环中多次
// 增加 `current`
while (current < input.length) {
// 我们在这里储存了 `input` 中的当前字符
var char = input[current];
// 要做的第一件事情就是检查是不是右圆括号。这在之后将会用在 `CallExpressions` 中，
// 但是现在我们关心的只是字符本身。
//
// 检查一下是不是一个左圆括号。
if (char === '(') {
// 如果是，那么我们 push 一个 type 为 `paren`，value 为左圆括号的对象。
tokens.push({
type: 'paren',
value: '('
});
// 自增 `current`
current++;
// 结束本次循环，进入下一次循环
continue;
}
// 然后我们检查是不是一个右圆括号。这里做的时候和之前一样：检查右圆括号、加入新的 token、
// 自增 `current`，然后进入下一次循环。
if (char === ')') {
tokens.push({
type: 'paren',
value: ')'
});
current++;
continue;
}
// 继续，我们现在检查是不是空格。有趣的是，我们想要空格的本意是分隔字符，但这现在
// 对于我们储存 token 来说不那么重要。我们暂且搁置它。
//
// 所以我们只是简单地检查是不是空格，如果是，那么我们直接进入下一个循环。
var WHITESPACE = /\s/;
if (WHITESPACE.test(char)) {
current++;
continue;
}
// 下一个 token 的类型是数字。它和之前的 token 不同，因为数字可以由多个数字字符组成，
// 但是我们只能把它们识别为一个 token。
//
// (add 123 456)
// ^^^ ^^^
// Only two separate tokens
// 这里只有两个 token
//
// 当我们遇到一个数字字符时，将会从这里开始。
var NUMBERS = /[0-9]/;
if (NUMBERS.test(char)) {
// 创建一个 `value` 字符串，用于 push 字符。
var value = '';
// 然后我们循环遍历接下来的字符，直到我们遇到的字符不再是数字字符为止，把遇到的每
// 一个数字字符 push 进 `value` 中，然后自增 `current`。
while (NUMBERS.test(char)) {
value += char;
char = input[++current];
}
// 然后我们把类型为 `number` 的 token 放入 `tokens` 数组中。
tokens.push({
type: 'number',
value: value
});
// 进入下一次循环。
continue;
}
// 最后一种类型的 token 是 `name`。它由一系列的字母组成，这在我们的 lisp 语法中
// 代表了函数。
//
// (add 2 4)
// ^^^
// Name token
//
var LETTERS = /[a-z]/i;
if (LETTERS.test(char)) {
var value = '';
// 同样，我们用一个循环遍历所有的字母，把它们存入 value 中。
while (LETTERS.test(char)) {
value += char;
char = input[++current];
}
// 然后添加一个类型为 `name` 的 token，然后进入下一次循环。
tokens.push({
type: 'name',
value: value
});
continue;
}
// 最后如果我们没有匹配上任何类型的 token，那么我们抛出一个错误。
throw new TypeError('I dont know what this character is: ' + char);
}
// 词法分析器的最后我们返回 tokens 数组。
return tokens;
}
/**
* ============================================================================
* ヽ/❀o ل͜ o\ﾉ
* 语法分析器（Parser）!!!
* ============================================================================
*/
/**
* 语法分析器接受 token 数组，然后把它转化为 AST
*
* [{ type: 'paren', value: '(' }, ...] => { type: 'Program', body: [...] }
*/
// 现在我们定义 parser 函数，接受 `tokens` 数组
function parser(tokens) {
// 我们再次声明一个 `current` 变量作为指针。
var current = 0;
// 但是这次我们使用递归而不是 `while` 循环，所以我们定义一个 `walk` 函数。
function walk() {
// walk函数里，我们从当前token开始
var token = tokens[current];
// 对于不同类型的结点，对应的处理方法也不同，我们从 `number` 类型的 token 开始。
// 检查是不是 `number` 类型
if (token.type === 'number') {
// 如果是，`current` 自增。
current++;
// 然后我们会返回一个新的 AST 结点 `NumberLiteral`，并且把它的值设为 token 的值。
return {
type: 'NumberLiteral',
value: token.value
};
}
// 接下来我们检查是不是 CallExpressions 类型，我们从左圆括号开始。
if (
token.type === 'paren' &&
token.value === '('
) {
// 我们会自增 `current` 来跳过这个括号，因为括号在 AST 中是不重要的。
token = tokens[++current];
// 我们创建一个类型为 `CallExpression` 的根节点，然后把它的 name 属性设置为当前
// token 的值，因为紧跟在左圆括号后面的 token 一定是调用的函数的名字。
var node = {
type: 'CallExpression',
name: token.value,
params: []
};
// 我们再次自增 `current` 变量，跳过当前的 token
token = tokens[++current];
// 现在我们循环遍历接下来的每一个 token，直到我们遇到右圆括号，这些 token 将会
// 是 `CallExpression` 的 `params`（参数）
//
// 这也是递归开始的地方，我们采用递归的方式来解决问题，而不是去尝试解析一个可能有无限
// 层嵌套的结点。
//
// 为了更好地解释，我们来看看我们的 Lisp 代码。你会注意到 `add` 函数的参数有两个，
// 一个是数字，另一个是一个嵌套的 `CallExpression`，这个 `CallExpression` 中
// 包含了它自己的参数（两个数字）
//
// (add 2 (subtract 4 2))
//
// 你也会注意到我们的 token 数组中有多个右圆括号。
//
// [
// { type: 'paren', value: '(' },
// { type: 'name', value: 'add' },
// { type: 'number', value: '2' },
// { type: 'paren', value: '(' },
// { type: 'name', value: 'subtract' },
// { type: 'number', value: '4' },
// { type: 'number', value: '2' },
// { type: 'paren', value: ')' }, <<< 右圆括号
// { type: 'paren', value: ')' } <<< 右圆括号
// ]
//
// 遇到嵌套的 `CallExpressions` 时，我们将会依赖嵌套的 `walk` 函数来
// 增加 `current` 变量
//
// 所以我们创建一个 `while` 循环，直到遇到类型为 `'paren'`，值为右圆括号的 token。
while (
(token.type !== 'paren') ||
(token.type === 'paren' && token.value !== ')')
) {
// 我们调用 `walk` 函数，它将会返回一个结点，然后我们把这个节点
// 放入 `node.params` 中。
node.params.push(walk());
token = tokens[current];
}
// 我们最后一次增加 `current`，跳过右圆括号。
current++;
// 返回结点。
return node;
}
// 同样，如果我们遇到了一个类型未知的结点，就抛出一个错误。
throw new TypeError(token.type);
}
// 现在，我们创建 AST，根结点是一个类型为 `Program` 的结点。
var ast = {
type: 'Program',
body: []
};
// 现在我们开始 `walk` 函数，把结点放入 `ast.body` 中。
//
// 之所以在一个循环中处理，是因为我们的程序可能在 `CallExpressions` 后面包含连续的两个
// 参数，而不是嵌套的。
//
// (add 2 2)
// (subtract 4 2)
//
while (current < tokens.length) {
ast.body.push(walk());
}
// 最后我们的语法分析器返回 AST
return ast;
}
/**
* ============================================================================
* ⌒(❀>◞౪◟<❀)⌒
* 遍历器!!!
* ============================================================================
*/
/**
* 现在我们有了 AST，我们需要一个 visitor 去遍历所有的结点。当遇到某个类型的结点时，我们
* 需要调用 visitor 中对应类型的处理函数。
*
* traverse(ast, {
* Program(node, parent) {
* // ...
* },
*
* CallExpression(node, parent) {
* // ...
* },
*
* NumberLiteral(node, parent) {
* // ...
* }
* });
*/
// 所以我们定义一个遍历器，它有两个参数，AST 和 vistor。在它的里面我们又定义了两个函数...
function traverser(ast, visitor) {
// `traverseArray` 函数允许我们对数组中的每一个元素调用 `traverseNode` 函数。
function traverseArray(array, parent) {
array.forEach(function(child) {
traverseNode(child, parent);
});
}
// `traverseNode` 函数接受一个 `node` 和它的父结点 `parent` 作为参数，这个结点会被
// 传入到 visitor 中相应的处理函数那里。
function traverseNode(node, parent) {
// 首先我们看看 visitor 中有没有对应 `type` 的处理函数。
var method = visitor[node.type];
// 如果有，那么我们把 `node` 和 `parent` 都传入其中。
if (method) {
method(node, parent);
}
// 下面我们对每一个不同类型的结点分开处理。
switch (node.type) {
// 我们从顶层的 `Program` 开始，Program 结点中有一个 body 属性，它是一个由若干
// 个结点组成的数组，所以我们对这个数组调用 `traverseArray`。
//
// （记住 `traverseArray` 会调用 `traverseNode`，所以我们会递归地遍历这棵树。）
case 'Program':
traverseArray(node.body, node);
break;
// 下面我们对 `CallExpressions` 做同样的事情，遍历它的 `params`。
case 'CallExpression':
traverseArray(node.params, node);
break;
// 如果是 `NumberLiterals`，那么就没有任何子结点了，所以我们直接 break
case 'NumberLiteral':
break;
// 同样，如果我们不能识别当前的结点，那么就抛出一个错误。
default:
throw new TypeError(node.type);
}
}
// 最后我们对 AST 调用 `traverseNode`，开始遍历。注意 AST 并没有父结点。
traverseNode(ast, null);
}
/**
* ============================================================================
* ⁽(◍˃̵͈̑ᴗ˂̵͈̑)⁽
* 转换器!!!
* ============================================================================
*/
/**
* 下面是转换器。转换器接收我们在之前构建好的 AST，然后把它和 visitor 传递进入我们的遍历
* 器中 ，最后得到一个新的 AST。
*
* ----------------------------------------------------------------------------
* 原始的 AST | 转换后的 AST
* ----------------------------------------------------------------------------
* { | {
* type: 'Program', | type: 'Program',
* body: [{ | body: [{
* type: 'CallExpression', | type: 'ExpressionStatement',
* name: 'add', | expression: {
* params: [{ | type: 'CallExpression',
* type: 'NumberLiteral', | callee: {
* value: '2' | type: 'Identifier',
* }, { | name: 'add'
* type: 'CallExpression', | },
* name: 'subtract', | arguments: [{
* params: [{ | type: 'NumberLiteral',
* type: 'NumberLiteral', | value: '2'
* value: '4' | }, {
* }, { | type: 'CallExpression',
* type: 'NumberLiteral', | callee: {
* value: '2' | type: 'Identifier',
* }] | name: 'subtract'
* }] | },
* }] | arguments: [{
* } | type: 'NumberLiteral',
* | value: '4'
* ---------------------------------- | }, {
* | type: 'NumberLiteral',
* | value: '2'
* | }]
* (那一边比较长/w\) | }]
* | }
* | }]
* | }
* ----------------------------------------------------------------------------
*/
// 定义我们的转换器函数，接收 AST 作为参数
function transformer(ast) {
// 创建 `newAST`，它与我们之前的 AST 类似，有一个类型为 Program 的根节点。
var newAst = {
type: 'Program',
body: []
};
// 下面的代码会有些奇技淫巧，我们在父结点上使用一个属性 `context`（上下文），这样我们就
// 可以把结点放入他们父结点的 context 中。当然可能会有更好的做法，但是为了简单我们姑且
// 这么做吧。
//
// 注意 context 是一个*引用*，从旧的 AST 到新的 AST。
ast._context = newAst.body;
// 我们把 AST 和 visitor 函数传入遍历器
traverser(ast, {
// 第一个 visitor 方法接收 `NumberLiterals`。
NumberLiteral: function(node, parent) {
// 我们创建一个新结点，名字叫 `NumberLiteral`，并把它放入父结点的 context 中。
parent._context.push({
type: 'NumberLiteral',
value: node.value
});
},
// 下一个，`CallExpressions`。
CallExpression: function(node, parent) {
// 我们创建一个 `CallExpression` 结点，里面有一个嵌套的 `Identifier`。
var expression = {
type: 'CallExpression',
callee: {
type: 'Identifier',
name: node.name
},
arguments: []
};
// 下面我们在原来的 `CallExpression` 结点上定义一个新的 context，它是 expression
// 中 arguments 这个数组的引用，我们可以向其中放入参数。
node._context = expression.arguments;
// 然后来看看父结点是不是一个 `CallExpression`，如果不是...
if (parent.type !== 'CallExpression') {
// 我们把 `CallExpression` 结点包在一个 `ExpressionStatement` 中，这么做是因为
// 单独存在（原文为top level）的 `CallExpressions` 在 JavaScript 中也可以被当做
// 是声明语句。
//
// 译者注：比如 `var a = foo()` 与 `foo()`，后者既可以当作表达式给某个变量赋值，也
// 可以作为一个独立的语句存在。
expression = {
type: 'ExpressionStatement',
expression: expression
};
}
// 最后我们把 `CallExpression`（可能是被包起来的） 放入父结点的 context 中。
parent._context.push(expression);
}
});
// 最后返回创建好的新 AST。
return newAst;
}
/**
* ============================================================================
* ヾ（〃＾∇＾）ﾉ♪
* 代码生成器!!!!
* ============================================================================
*/
/**
* 现在只剩最后一步啦：代码生成器。
*
* 我们的代码生成器会递归地调用它自己，把 AST 中的每个结点打印到一个很大的字符串中。
*/
function codeGenerator(node) {
// 对于不同 `type` 的结点分开处理。
switch (node.type) {
// 如果是 `Program` 结点，那么我们会遍历它的 `body` 属性中的每一个结点，并且递归地
// 对这些结点再次调用 codeGenerator，再把结果打印进入新的一行中。
case 'Program':
return node.body.map(codeGenerator)
.join('\n');
// 对于 `ExpressionStatements`,我们对它的 expression 属性递归调用，同时加入一个
// 分号。
case 'ExpressionStatement':
return (
codeGenerator(node.expression) +
';' // << (...因为我们喜欢用*正确*的方式写代码)
);
// 对于 `CallExpressions`，我们会打印出 `callee`，接着是一个左圆括号，然后对
// arguments 递归调用 codeGenerator，并且在它们之间加一个逗号，最后加上右圆括号。
case 'CallExpression':
return (
codeGenerator(node.callee) +
'(' +
node.arguments.map(codeGenerator)
.join(', ') +
')'
);
// 对于 `Identifiers` 我们只是返回 `node` 的 name。
case 'Identifier':
return node.name;
// 对于 `NumberLiterals` 我们只是返回 `node` 的 value
case 'NumberLiteral':
return node.value;
// 如果我们不能识别这个结点，那么抛出一个错误。
default:
throw new TypeError(node.type);
}
}
/**
* ============================================================================
* (۶* ‘ヮ’)۶”
* !!!!!!!!!!!!编译器!!!!!!!!!!!
* ============================================================================
*/
/**
* 最后！我们创建 `compiler` 函数，它只是把上面说到的那些函数连接到一起。
*
* 1. input => tokenizer => tokens
* 2. tokens => parser => ast
* 3. ast => transformer => newAst
* 4. newAst => generator => output
*/
function compiler(input) {
var tokens = tokenizer(input);
var ast = parser(tokens);
var newAst = transformer(ast);
var output = codeGenerator(newAst);
// 然后返回输出!
return output;
}
/**
* ============================================================================
* (๑˃̵ᴗ˂̵)و
* !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!你做到了!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
* ============================================================================
*/
// 现在导出所有接口...
module.exports = {
tokenizer: tokenizer,
parser: parser,
transformer: transformer,
codeGenerator: codeGenerator,
compiler: compiler
};
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