【译】超级微型编译器

XXHolic
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引子

在看 babel 文档的时候,接触到 The Super Tiny Compiler,其中的注释感觉解释的蛮容易理解,翻译记录一下。

为什么要关注编译器

大部分的人在他们的日常工作中,实际上没有必要去思考编译器相关的东西,不关注编译器很正常。然而,编译器在你的身边很常见,你使用的很多工具,都是借鉴了编译器的概念。

编译器很可怕

编译器的确很可怕。但是这是我们(那些写编译器的人)自己的错误,我们舍弃了简单合理,并且让它变得如此复杂可怕,以至于大部分的人认为是完全无法接近的事情,只有书呆子可以明白。

该从那里开始?

从编写一个最简单的编译器开始。这个编译器非常的小,如果你移除所有的注释,也只有 200 行代码。

我们准备写一个编译器,它的作用是将一些 LISP 方法调用的形式转换成 C 语言里面方法调用的的形式。

如果你对其中的语言不太熟悉,我将会简单介绍一下。

如果我们有两个方法 addsubtract,它们会像下面这样书写:

exampleLISPC
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))

很容易,对吧?很好,这正是我们准备要编译的。虽然这个不是完整的 LISP 或 C 语法,但它的语法足以演示大部分现代编译器的主要部分。

编译的三个阶段

大部分的编译可以划分为 3 个主要阶段:解析(Parsing),转换(Transformation),代码生成(Code Generation)。

  • 解析:获取每一行代码,并将其变成更加抽象的代码。
  • 转换:获取抽象的代码,按照编译器的意图进行操作。
  • 代码生成:获取转换后表现的代码,并将其变换成新的代码。

解析(Parsing)

解析通常分为两个阶段:词法分析(Lexical Analysis)和语法分析(Syntactic Analysis)。

  • 词法分析:获取代码,并且用分词器(tokenizer)将其分解成单独的记号(tokens)。记号是一个数组,里面是描述语法各个部分的对象。它们可能是数字、文本、标点符号、操作符等等。
  • 语法分析:获取那些记号,并将其转换为另外一种表现形式,这种表现形式描述了自己的语法和相互联系。这被称为中间表示或抽象语法树(Abstract Syntax Tree 或 AST)。抽象语法树是一个深层嵌套的对象,代表代码运行的一种方式,它提供给我们很多信息。

例如下面的语法:

(add 2 (subtract 4 2))

记号看起来可能像这样:

[
  { 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: ')'        },
]

抽象语法树看起来可能像这样:

{
  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)

编译的下一个阶段就是转换。这一步只是获取上一步的 AST 并且再一次改变它。可以用相同的语言操作 AST,或者把 AST 转换成一个完全新的语言。

让我们看看如果转换一个 AST。

你可能发现我们的 AST 里面有些元素很相似。这里有一些拥有 type 属性的对象,每一个这样的对象被称为 AST 节点(AST Node)。这些节点定义了树上每个单独部分的属性。

我们有一个 NumberLiteral 节点:

{
  type: 'NumberLiteral',
  value: '2',
}

或者可能是一个 CallExpression 节点:

{
  type: 'CallExpression',
  name: 'subtract',
  params: [...nested nodes go here...],
}

当转换 AST 时,我们可以对节点的属性进行添加/移除/替换操作,我们可以添加新的节点,移除节点,或者基于已存在的 AST 创建一个完全新的 AST。

因为我们的目标是一个新的语言,所以我们将要针对新的语言,创建一个完全新的 AST。

遍历(Traversal)

为了能够找到所有的节点,我们需要遍历它们。这个遍历的过程要到达 AST 的每一个节点。

{
  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'
      }]
    }]
  }]
}

上面的 AST,我们将这样遍历:

  1. Program - 从 AST 最顶层级开始
  2. CallExpression (add) - 移动到 Program 的 body 里面的第一个元素
  3. NumberLiteral (2) - 移动到 CallExpression(add) 的 params 的第一个元素
  4. CallExpression (subtract) - 移动到 CallExpression(add) 的 params 的第二个元素
  5. NumberLiteral (4) - 移动到 CallExpression(subtract) 的 params 的第一个元素
  6. NumberLiteral (2) - 移动到 CallExpression(subtract) 的 params 的第二个元素

如果直接操作这个 AST,这里可能要介绍各种抽象。但是我们正在尝试做的事情,访问到树的每个节点就足够了。

访问者(Visitors)

这里基本的思路是,创建一个“visitor”对象,它拥有的方法可以接受不同类型的节点。

var visitor = {
  NumberLiteral() {},
  CallExpression() {},
};

当我们遍历 AST 时,只要“进入(enter)”到一个匹配的类型节点,我们将调用这个 visitor 的方法。

为了让这个想法可行,我们将传入一个节点和其父节点的引用。

var visitor = {
  NumberLiteral(node, parent) {},
  CallExpression(node, parent) {},
};

然后,这里还存在“退出(exit)”的可能性。想象一下我们这样的树结构:

- Program
  - CallExpression
    - NumberLiteral
    - CallExpression
      - NumberLiteral
      - NumberLiteral

当我们遍历下去,最终会到达一个死胡同。所以当我们完成树每个分支的遍历,我们就“退出(exit)”。因此,向下遍历树,“进入(enter)”到树节点,返回的时候,我们就“退出(exit)”。

-> Program (enter)
  -> CallExpression (enter)
    -> Number Literal (enter)
    <- Number Literal (exit)
    -> Call Expression (enter)
      -> Number Literal (enter)
      <- Number Literal (exit)
      -> Number Literal (enter)
      <- Number Literal (exit)
    <- CallExpression (exit)
  <- CallExpression (exit)
<- Program (exit)

为了支持这种功能,最后我们的 visitor 看起来会像是这样:

var visitor = {
  NumberLiteral: {
    enter(node, parent) {},
    exit(node, parent) {},
  }
};

代码生成(Code Generation)

编译的最后一个阶段就是代码生成。有些时候编译器在这个阶段,会做跟转换重叠的事情,但是大部分的代码生成只是意味着获取 AST 并且转换成字符串代码。

代码生成有几种不同的运行方式,一些编译器会重用之前的记号(tokens),有些会创建一个单独的代码表示,这样他们就可以线性打印节点,但是从我了解到的情况,大部分会使用我们刚才创建的 AST,也是我们将要关注的。

我们的代码生成器将有效地知道如何“打印(print)” AST 的所有不同节点类型,并且它将递归地调用自己来打印嵌套的节点,直到将所有内容打印成一长串代码。

就这样!这些就是编译器所有不同的部分。并不是每一个编译器都像我这里描述的那样。编译器用于不同的目的,它们可能需要比我描述的更多的步骤。但是,现在你应该对于大部分编译器是什么样的,有一个更高的认识。

现在,我已经解释了这么多,你应该都能很好的写出自己的编译器,对吧?只是开个玩笑,这就是我要帮助的。那么就让我们开始吧!

编译器示例

the-compiler-js

参考资料

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