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90分钟实现一门编程语言——极简解释器教程

article 2024/12/27 3:53:41

关键字

解释器, C#, Scheme, 函数式编程

关于

本文介绍了如何使用C#实现一个简化但全功能的Scheme方言——iScheme及其解释器，通过从零开始逐步构建，展示了编程语言/解释器的工作原理。

作者

Lucida a.k.a Luc

如果你是通过移动设备阅读本教程，或者认为本文的代码字体太小的，请使用该链接以获得更好的可读性（博客园的markdown解析器实在诡异，这里就不多吐槽了）。

提示

如果你对下面的内容感兴趣：

  • 实现基本的词法分析，语法分析并生成抽象语法树。
  • 实现嵌套作用域和函数调用。
  • 解释器的基本原理。
  • 以及一些C#编程技巧。

那么请继续阅读。

如果你对以下内容感兴趣：

  • 高级的词法/语法分析技术。
  • 类型推导/分析。
  • 目标代码优化。

本文则过于初级，你可以跳过本文，但欢迎指出本文的错误 :-)

代码样例

代码示例

public static int Add(int a, int b) {
    return a + b;
}

>> Add(3, 4)
>> 7

>> Add(5, 5)
>> 10

这段代码定义了Add函数，接下来的>>符号表示对Add(3, 4)进行求值，再下一行的>> 7表示上一行的求值结果，不同的求值用换行分开。可以把这里的>>理解成控制台提示符（即Terminal中的PS）。

什么是解释器

解释器图示

解释器（Interpreter）是一种程序，能够读入程序并直接输出结果，如上图。相对于编译器（Compiler），解释器并不会生成目标机器代码，而是直接运行源程序，简单来说：

解释器是运行程序的程序。

计算器就是一个典型的解释器，我们把数学公式（源程序）给它，它通过运行它内部的"解释器"给我们答案。

CASIO 计算器

iScheme编程语言

iScheme是什么？

  • Scheme语言的一个极简子集。
  • 虽然小，但变量，算术|比较|逻辑运算，列表，函数和递归这些编程语言元素一应俱全。
  • 非常非常慢——可以说它只是为演示本文的概念而存在。

OK，那么Scheme是什么？

  • 一种函数式程序设计语言。
  • 一种Lisp方言。
  • 麻省理工学院程序设计入门课程使用的语言（参见MIT 6.001和《计算机程序的构造与解释》）。

计算机程序的构造与解释

  • 使用波兰表达式（Polish Notation）。
  • 更多的介绍参见Scheme编程语言。

以计算阶乘为例：

C#版阶乘

public static int Factorial(int n) {
    if (n == 1) {
        return 1;
    } else {
        return n * Factorial(n - 1);
    }
}

iScheme版阶乘

(def factorial (lambda (n) (
    if (= n 1)
       1
       (* n (factorial (- n 1))))))
数值类型

由于iScheme只是一个用于演示的语言，所以目前只提供对整数的支持。iScheme使用C#的Int64类型作为其内部的数值表示方法。

定义变量

iScheme使用def关键字定义变量

>> (def a 3)
>> 3

>> a
>> 3

算术|逻辑|比较操作

与常见的编程语言（C#, Java, C++, C）不同，Scheme使用波兰表达式，即前缀表示法。例如：

C#中的算术|逻辑|比较操作

// Arithmetic ops
a + b * c
a / (b + c + d)
// Logical ops
(cond1 && cond2) || cond3
// Comparing ops
a == b
1 < a && a < 3

对应的iScheme代码

; Arithmetic ops
(+ a (* b c))
(/ a (+ b c d))
; Logical ops
(or (and cond1 cond2) cond3)
; Comparing ops
(= a b)
(< 1 a 3)

需要注意的几点：

  1. iScheme中的操作符可以接受不止两个参数——这在一定程度上控制了括号的数量。
  2. iScheme逻辑操作使用and, or和not代替了常见的&&, ||和!——这在一定程度上增强了程序的可读性。

顺序语句

iScheme使用begin关键字标识顺序语句，并以最后一条语句的值作为返回结果。以求两个数的平均值为例：

C#的顺序语句

int a = 3;
int b = 5;
int c = (a + b) / 2;

iScheme的顺序语句

(def c (begin
    (def a 3)
    (def b 5)
    (/ (+ a b) 2)))

控制流操作

iScheme中的控制流操作只包含if。

if语句示例

>> (define a (if (> 3 2) 1 2))
>> 1

>> a
>> 1
列表类型

iScheme使用list关键字定义列表，并提供first关键字获取列表的第一个元素；提供rest关键字获取列表除第一个元素外的元素。

iScheme的列表示例

>> (define alist (list 1 2 3 4))
>> (list 1 2 3 4)

>> (first alist)
>> 1

>> (rest alist)
>> (2 3 4)

定义函数

iScheme使用func关键字定义函数：

iScheme的函数定义

(def square (func (x) (* x x)))

(def sum_square (func (a b) (+ (square a) (square b))))

对应的C#代码

public static int Square (int x) {
    return x * x;
}

public static int SumSquare(int a, int b) {
    return Square(a) + Square(b);
}

递归

由于iScheme中没有for或while这种命令式语言（Imperative Programming Language）的循环结构，递归成了重复操作的唯一选择。

以计算最大公约数为例：

iScheme计算最大公约数

(def gcd (func (a b)
    (if (= b 0)
        a
        (func (b (% a b))))))

对应的C#代码

public static int GCD (int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return a;
    } else {
        return GCD(b, a % b);
    }
}

高阶函数

和Scheme一样，函数在iScheme中是头等对象，这意味着：

  • 可以定义一个变量为函数。
  • 函数可以接受一个函数作为参数。
  • 函数返回一个函数。

iScheme的高阶函数示例

; Defines a multiply function.
(def mul (func (a b) (* a b)))
; Defines a list map function.
(def map (func (f alist)
    (if (empty? alist)
        (list )
        (append (list (f (first alist))) (map f (rest alist)))
        )))
; Doubles a list using map and mul.
>> (map (mul 2) (list 1 2 3))
>> (list 2 4 6)

小结

对iScheme的介绍就到这里——事实上这就是iScheme的所有元素，会不会太简单了？ -_-

接下来进入正题——从头开始构造iScheme的解释程序。

解释器构造

iScheme解释器主要分为两部分，解析（Parse）和求值（Evaluation）：

  • 解析（Parse）：解析源程序，并生成解释器可以理解的中间（Intermediate）结构。这部分包含词法分析，语法分析，语义分析，生成语法树。
  • 求值（Evaluation）：执行解析阶段得到的中介结构然后得到运行结果。这部分包含作用域，类型系统设计和语法树遍历。

词法分析

词法分析负责把源程序解析成一个个词法单元（Lex），以便之后的处理。

iScheme的词法分析极其简单——由于iScheme的词法元素只包含括号，空白，数字和变量名，因此C#自带的String#Split就足够。

iScheme的词法分析及测试

public static String[] Tokenize(String text) {
    String[] tokens = text.Replace("(", " ( ").Replace(")", " ) ").Split(" \t\r\n".ToArray(), StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);
    return tokens;
}

// Extends String.Join for a smooth API.
public static String Join(this String separator, IEnumerable<Object> values) {
    return String.Join(separator, values);
}

// Displays the lexes in a readable form.
public static String PrettyPrint(String[] lexes) {
    return "[" + ", ".Join(lexes.Select(s => "'" + s + "'") + "]";
}

// Some tests
>> PrettyPrint(Tokenize("a"))
>> ['a']

>> PrettyPrint(Tokenize("(def a 3)"))
>> ['(', 'def', 'a', '3', ')']

>> PrettyPrint(Tokenize("(begin (def a 3) (* a a))"))
>> ['begin', '(', 'def', 'a', '3', ')', '(', '*', 'a', 'a', ')', ')']
注意
  • 个人不喜欢String.Join这个静态方法，所以这里使用C#的扩展方法（Extension Methods）对String类型做了一个扩展。
  • 相对于LINQ Syntax，我个人更喜欢LINQ Extension Methods，接下来的代码也都会是这种风格。
  • 不要以为词法分析都是这么离谱般简单！vczh的词法分析教程给出了一个完整编程语言的词法分析教程。

语法树生成

得到了词素之后，接下来就是进行语法分析。不过由于Lisp类语言的程序即是语法树，所以语法分析可以直接跳过。

以下面的程序为例：

程序即语法树

;
(def x (if (> a 1) a 1))
; 换一个角度看的话：
(
    def
    x
    (
        if
        (
            >
            a
            1
        )
        a
        1
    )
)

更加直观的图片：

抽象语法树

这使得抽象语法树（Abstract Syntax Tree）的构建变得极其简单（无需考虑操作符优先级等问题），我们使用SExpression类型定义iScheme的语法树（事实上S Expression也是Lisp表达式的名字）。

抽象语法树的定义

public class SExpression {
    public String Value { get; private set; }
    public List<SExpression> Children { get; private set; }
    public SExpression Parent { get; private set; }

    public SExpression(String value, SExpression parent) {
        this.Value = value;
        this.Children = new List<SExpression>();
        this.Parent = parent;
    }

    public override String ToString() {
        if (this.Value == "(") {
            return "(" + " ".Join(Children) + ")";
        } else {
            return this.Value;
        }
    }
}

然后用下面的步骤构建语法树：

  1. 碰到左括号，创建一个新的节点到当前节点（current），然后重设当前节点。
  2. 碰到右括号，回退到当前节点的父节点。
  3. 否则把为当前词素创建节点，添加到当前节点中。

抽象语法树的构建过程

public static SExpression ParseAsIScheme(this String code) {
    SExpression program = new SExpression(value: "", parent: null);
    SExpression current = program;
    foreach (var lex in Tokenize(code)) {
        if (lex == "(") {
            SExpression newNode = new SExpression(value: "(", parent: current);
            current.Children.Add(newNode);
            current = newNode;
        } else if (lex == ")") {
            current = current.Parent;
        } else {
            current.Children.Add(new SExpression(value: lex, parent: current));
        }
    }
    return program.Children[0];
}
注意
  • 使用自动属性（Auto Property），从而避免重复编写样版代码（Boilerplate Code）。
  • 使用命名参数（Named Parameters）提高代码可读性：new SExpression(value: "", parent: null)比new SExpression("", null)可读。
  • 使用扩展方法提高代码流畅性：code.Tokenize().ParseAsIScheme比ParseAsIScheme(Tokenize(code))流畅。
  • 大多数编程语言的语法分析不会这么简单！如果打算实现一个类似C#的编程语言，你需要更强大的语法分析技术：
    • 如果打算手写语法分析器，可以参考LL(k), Precedence Climbing和Top Down Operator Precedence。
    • 如果打算生成语法分析器，可以参考ANTLR或Bison。

作用域

作用域决定程序的运行环境。iScheme使用嵌套作用域。

以下面的程序为例

>> (def x 1)
>> 1

>> (def y (begin (def x 2) (* x x)))
>> 4

>> x
>> 1

作用域示例

利用C#提供的Dictionary<TKey, TValue>类型，我们可以很容易的实现iScheme的作用域SScope：

iScheme的作用域实现

public class SScope {
    public SScope Parent { get; private set; }
    private Dictionary<String, SObject> variableTable;

    public SScope(SScope parent) {
        this.Parent = parent;
        this.variableTable = new Dictionary<String, SObject>();
    }

    public SObject Find(String name) {
        SScope current = this;
        while (current != null) {
            if (current.variableTable.ContainsKey(name)) {
                return current.variableTable[name];
            }
            current = current.Parent;
        }
        throw new Exception(name + " is not defined.");
    }

    public SObject Define(String name, SObject value) {
        this.variableTable.Add(name, value);
        return value;
    }
}

类型实现

iScheme的类型系统极其简单——只有数值，Bool，列表和函数，考虑到他们都是iScheme里面的值对象（Value Object），为了便于对它们进行统一处理，这里为它们设置一个统一的父类型SObject：

public class SObject { }
数值类型

iScheme的数值类型只是对.Net中Int64（即C#里的long）的简单封装：

public class SNumber : SObject {
    private readonly Int64 value;
    public SNumber(Int64 value) {
        this.value = value;
    }
    public override String ToString() {
        return this.value.ToString();
    }
    public static implicit operator Int64(SNumber number) {
        return number.value;
    }
    public static implicit operator SNumber(Int64 value) {
        return new SNumber(value);
    }
}

注意这里使用了C#的隐式操作符重载，这使得我们可以：

SNumber foo = 30;
SNumber bar = 40;
SNumber foobar = foo * bar;

而不必：

SNumber foo = new SNumber(value: 30);
SNumber bar = new SNumber(value: 40);
SNumber foobar = new SNumber(value: foo.Value * bar.Value);

为了方便，这里也为SObject增加了隐式操作符重载（尽管Int64可以被转换为SNumber且SNumber继承自SObject，但.Net无法直接把Int64转化为SObject）：

public class SObject {
    ...
    public static implicit operator SObject(Int64 value) {
        return (SNumber)value;
    }
}
Bool类型

由于Bool类型只有True和False，所以使用静态对象就足矣。

public class SBool : SObject {
    public static readonly SBool False = new SBool();
    public static readonly SBool True = new SBool();
    public override String ToString() {
        return ((Boolean)this).ToString();
    }
    public static implicit operator Boolean(SBool value) {
        return value == SBool.True;
    }
    public static implicit operator SBool(Boolean value) {
        return value ? True : False;
    }
}

这里同样使用了C#的隐式操作符重载，这使得我们可以：

SBool foo = a > 1;
if (foo) {
    // Do something...
}

而不用

SBool foo = a > 1 ? SBool.True: SBool.False;
if (foo == SBool.True) {
    // Do something...
}

同样，为SObject增加隐式操作符重载：

public class SObject {
    ...
    public static implicit operator SObject(Boolean value) {
        return (SBool)value;
    }
}
列表类型

iScheme使用.Net中的IEnumberable<T>实现列表类型SList：

public class SList : SObject, IEnumerable<SObject> {
    private readonly IEnumerable<SObject> values;
    public SList(IEnumerable<SObject> values) {
        this.values = values;
    }
    public override String ToString() {
        return "(list " + " ".Join(this.values) + ")";
    }
    public IEnumerator<SObject> GetEnumerator() {
        return this.values.GetEnumerator();
    }
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() {
        return this.values.GetEnumerator();
    }
}

实现IEnumerable<SObject>后，就可以直接使用LINQ的一系列扩展方法，十分方便。

函数类型

iScheme的函数类型（SFunction）由三部分组成：

  • 函数体：即对应的SExpression。
  • 参数列表。
  • 作用域：函数拥有自己的作用域

SFunction的实现

public class SFunction : SObject {
    public SExpression Body { get; private set; }
    public String[] Parameters { get; private set; }
    public SScope Scope { get; private set; }
    public Boolean IsPartial {
        get {
            return this.ComputeFilledParameters().Length.InBetween(1, this.Parameters.Length);
        }
    }

    public SFunction(SExpression body, String[] parameters, SScope scope) {
        this.Body = body;
        this.Parameters = parameters;
        this.Scope = scope;
    }

    public SObject Evaluate() {
        String[] filledParameters = this.ComputeFilledParameters();
        if (filledParameters.Length < Parameters.Length) {
            return this;
        } else {
            return this.Body.Evaluate(this.Scope);
        }
    }

    public override String ToString() {
        return String.Format("(func ({0}) {1})",
            " ".Join(this.Parameters.Select(p => {
                SObject value = null;
                if ((value = this.Scope.FindInTop(p)) != null) {
                    return p + ":" + value;
                }
                return p;
            })), this.Body);
    }

    private String[] ComputeFilledParameters() {
        return this.Parameters.Where(p => Scope.FindInTop(p) != null).ToArray();
    }
}
需要注意的几点
  • iScheme支持部分求值（Partial Evaluation），这意味着：

部分求值

>> (def mul (func (a b) (* a b)))
>> (func (a b) (* a b))

>> (mul 3 4)
>> 12

>> (mul 3)
>> (func (a:3 b) (* a b))

>> ((mul 3) 4)
>> 12

也就是说，当SFunction的实际参数（Argument）数量小于其形式参数（Parameter）的数量时，它依然是一个函数，无法被求值。

这个功能有什么用呢？生成高阶函数。有了部分求值，我们就可以使用

(def mul (func (a b) (* a b)))
(def mul3 (mul 3))

>> (mul3 3)
>> 9

而不用专门定义一个生成函数：

(def times (func (n) (func (n x) (* n x)) ) )
(def mul3 (times 3))

>> (mul3 3)
>> 9
  • SFunction#ToString可以将其自身还原为源代码——从而大大简化了iScheme的理解和测试。

内置操作

iScheme的内置操作有四种：算术|逻辑|比较|列表操作。

我选择了表达力（Expressiveness）强的lambda方法表来定义内置操作：

首先在SScope中添加静态字段builtinFunctions，以及对应的访问属性BuiltinFunctions和操作方法BuildIn。

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http://www.kler.cn/a/291183.html

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