【第1468期】前端与编译原理——用JS写一个JS解释器
前言
本文适合慢慢看。今日早读文章由腾讯@jrainlau投稿分享。
进入正文阅读前，听听来自@国豪对前端五年来的感悟：
正文从这开始～～
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。
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 Function，eval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：
const a = 1
console.log(a)经过编译器处理后，它的AST长这样：
{
"type": "Program",
"start": 0,
"end": 26,
"body": [
{
"type": "VariableDeclaration",
"start": 0,
"end": 11,
"declarations": [
{
"type": "VariableDeclarator",
"start": 6,
"end": 11,
"id": {
"type": "Identifier",
"start": 6,
"end": 7,
"name": "a"
},
"init": {
"type": "Literal",
"start": 10,
"end": 11,
"value": 1,
"raw": "1"
}
}
],
"kind": "const"
},
{
"type": "ExpressionStatement",
"start": 12,
"end": 26,
"expression": {
"type": "CallExpression",
"start": 12,
"end": 26,
"callee": {
"type": "MemberExpression",
"start": 12,
"end": 23,
"object": {
"type": "Identifier",
"start": 12,
"end": 19,
"name": "console"
},
"property": {
"type": "Identifier",
"start": 20,
"end": 23,
"name": "log"
},
"computed": false
},
"arguments": [
{
"type": "Identifier",
"start": 24,
"end": 25,
"name": "a"
}
]
}
}
],
"sourceType": "module"
}常见的JS编译器有babylon，acorn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VariableDeclaration和ExpressionStatement，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:
1 + 2 + 3当机器执行的时候，它可能会是这样的机器码：
1 PUSH 1
2 PUSH 2
3 ADD
4 PUSH 3
5 ADD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：
const nodeHandler = {
Program () {},
VariableDeclaration () {},
ExpressionStatement () {},
MemberExpression () {},
CallExpression () {},
Identifier () {}
}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）：
class NodeIterator {
constructor (node) {
this.node = node
this.nodeHandler = nodeHandler
}
traverse (node) {
// 根据节点类型找到节点处理器当中对应的函数
const _eval = this.nodeHandler[node.type]
// 若找不到则报错
if (!_eval) {
throw new Error(`canjs: Unknown node type "${node.type}".`)
}
// 运行处理函数
return _eval(node)
}
}理论上，节点遍历器这样设计就可以了，但仔细推敲，发现漏了一个很重要的东西——作用域处理。
回到节点处理器的VariableDeclaration()方法，它用来处理诸如const a = 1这样的变量声明节点。假设它的代码如下：
VariableDeclaration (node) {
for (const declaration of node.declarations) {
const { name } = declaration.id
const value = declaration.init ? traverse(declaration.init) : undefined
// 问题来了，拿到了变量的名称和值，然后把它保存到哪里去呢？
// ...
}
},问题在于，处理完变量声明节点以后，理应把这个变量保存起来。按照JS语言特性，这个变量应该存放在一个作用域当中。在JS解析器的实现过程中，这个作用域可以被定义为一个scope对象。
改写节点遍历器，为其新增一个scope对象
class NodeIterator {
constructor (node, scope = {}) {
this.node = node
this.scope = scope
this.nodeHandler = nodeHandler
}
traverse (node, options = {}) {
const scope = options.scope || this.scope
const nodeIterator = new NodeIterator(node, scope)
const _eval = this.nodeHandler[node.type]
if (!_eval) {
throw new Error(`canjs: Unknown node type "${node.type}".`)
}
return _eval(nodeIterator)
}
createScope (blockType = 'block') {
return new Scope(blockType, this.scope)
}
}然后节点处理函数VariableDeclaration()就可以通过scope保存变量了：
VariableDeclaration (nodeIterator) {
const kind = nodeIterator.node.kind
for (const declaration of nodeIterator.node.declarations) {
const { name } = declaration.id
const value = declaration.init ? nodeIterator.traverse(declaration.init) : undefined
// 在作用域当中定义变量
// 如果当前是块级作用域且变量用var定义，则定义到父级作用域
if (nodeIterator.scope.type === 'block' && kind === 'var') {
nodeIterator.scope.parentScope.declare(name, value, kind)
} else {
nodeIterator.scope.declare(name, value, kind)
}
}
},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：
const a = 1
{
const b = 2
console.log(a)
}
console.log(b)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：
class Scope {
constructor (type, parentScope) {
// 作用域类型，区分函数作用域function和块级作用域block
this.type = type
// 父级作用域
this.parentScope = parentScope
// 全局作用域
this.globalDeclaration = standardMap
// 当前作用域的变量空间
this.declaration = Object.create(null)
}
/*
* get/set方法用于获取/设置当前作用域中对应name的变量值
符合JS语法规则，优先从当前作用域去找，若找不到则到父级作用域去找，然后到全局作用域找。
如果都没有，就报错
*/
get (name) {
if (this.declaration[name]) {
return this.declaration[name]
} else if (this.parentScope) {
return this.parentScope.get(name)
} else if (this.globalDeclaration[name]) {
return this.globalDeclaration[name]
}
throw new ReferenceError(`${name} is not defined`)
}
set (name, value) {
if (this.declaration[name]) {
this.declaration[name] = value
} else if (this.parentScope[name]) {
this.parentScope.set(name, value)
} else {
throw new ReferenceError(`${name} is not defined`)
}
}
/**
* 根据变量的kind调用不同的变量定义方法
*/
declare (name, value, kind = 'var') {
if (kind === 'var') {
return this.varDeclare(name, value)
} else if (kind === 'let') {
return this.letDeclare(name, value)
} else if (kind === 'const') {
return this.constDeclare(name, value)
} else {
throw new Error(`canjs: Invalid Variable Declaration Kind of "${kind}"`)
}
}
varDeclare (name, value) {
let scope = this
// 若当前作用域存在非函数类型的父级作用域时，就把变量定义到父级作用域
while (scope.parentScope && scope.type !== 'function') {
scope = scope.parentScope
}
this.declaration[name] = new SimpleValue(value, 'var')
return this.declaration[name]
}
letDeclare (name, value) {
// 不允许重复定义
if (this.declaration[name]) {
throw new SyntaxError(`Identifier ${name} has already been declared`)
}
this.declaration[name] = new SimpleValue(value, 'let')
return this.declaration[name]
}
constDeclare (name, value) {
// 不允许重复定义
if (this.declaration[name]) {
throw new SyntaxError(`Identifier ${name} has already been declared`)
}
this.declaration[name] = new SimpleValue(value, 'const')
return this.declaration[name]
}
}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：
class SimpleValue {
constructor (value, kind = '') {
this.value = value
this.kind = kind
}
set (value) {
// 禁止重新对const类型变量赋值
if (this.kind === 'const') {
throw new TypeError('Assignment to constant variable')
} else {
this.value = value
}
}
get () {
return this.value
}
}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setTimeout，console.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：
const standardMap = {
console: new SimpleValue(console)
}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return，break，continue关键字。
关键字判断工具Signal
定义一个Signal基类：
class Signal {
constructor (type, value) {
this.type = type
this.value = value
}
static Return (value) {
return new Signal('return', value)
}
static Break (label = null) {
return new Signal('break', label)
}
static Continue (label) {
return new Signal('continue', label)
}
static isReturn(signal) {
return signal instanceof Signal && signal.type === 'return'
}
static isContinue(signal) {
return signal instanceof Signal && signal.type === 'continue'
}
static isBreak(signal) {
return signal instanceof Signal && signal.type === 'break'
}
static isSignal (signal) {
return signal instanceof Signal
}
}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。
VariableDeclaration (nodeIterator) {
const kind = nodeIterator.node.kind
for (const declaration of nodeIterator.node.declarations) {
const { name } = declaration.id
const value = declaration.init ? nodeIterator.traverse(declaration.init) : undefined
// 在作用域当中定义变量
// 若为块级作用域且关键字为var，则需要做全局污染
if (nodeIterator.scope.type === 'block' && kind === 'var') {
nodeIterator.scope.parentScope.declare(name, value, kind)
} else {
nodeIterator.scope.declare(name, value, kind)
}
}
},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。
Identifier (nodeIterator) {
if (nodeIterator.node.name === 'undefined') {
return undefined
}
return nodeIterator.scope.get(nodeIterator.node.name).value
},3、字符节点处理器——Literal()
返回字符节点的值。
Literal (nodeIterator) {
return nodeIterator.node.value
}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。
CallExpression (nodeIterator) {
// 遍历callee获取函数体
const func = nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.callee)
// 获取参数
const args = nodeIterator.node.arguments.map(arg => nodeIterator.traverse(arg))
let value
if (nodeIterator.node.callee.type === 'MemberExpression') {
value = nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.callee.object)
}
// 返回函数运行结果
return func.apply(value, args)
},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.say，console.log这种函数表达式。
MemberExpression (nodeIterator) {
// 获取对象，如console
const obj = nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.object)
// 获取对象的方法，如log
const name = nodeIterator.node.property.name
// 返回表达式，如console.log
return obj[name]
}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。
BlockStatement (nodeIterator) {
// 先定义一个块级作用域
let scope = nodeIterator.createScope('block')
// 处理块级节点内的每一个节点
for (const node of nodeIterator.node.body) {
if (node.type === 'VariableDeclaration' && node.kind === 'var') {
for (const declaration of node.declarations) {
scope.declare(declaration.id.name, declaration.init.value, node.kind)
}
} else if (node.type === 'FunctionDeclaration') {
nodeIterator.traverse(node, { scope })
}
}
// 提取关键字（return, break, continue）
for (const node of nodeIterator.node.body) {
if (node.type === 'FunctionDeclaration') {
continue
}
const signal = nodeIterator.traverse(node, { scope })
if (Signal.isSignal(signal)) {
return signal
}
}
}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break，continue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：
FunctionDeclaration (nodeIterator) {
const fn = NodeHandler.FunctionExpression(nodeIterator)
nodeIterator.scope.varDeclare(nodeIterator.node.id.name, fn)
return fn
}8、函数表达式节点处理器——FunctionExpression()
用于定义一个函数：
FunctionExpression (nodeIterator) {
const node = nodeIterator.node
/**
* 1、定义函数需要先为其定义一个函数作用域，且允许继承父级作用域
* 2、注册`this`, `arguments`和形参到作用域的变量空间
* 3、检查return关键字
* 4、定义函数名和长度
*/
const fn = function () {
const scope = nodeIterator.createScope('function')
scope.constDeclare('this', this)
scope.constDeclare('arguments', arguments)
node.params.forEach((param, index) => {
const name = param.name
scope.varDeclare(name, arguments[index])
})
const signal = nodeIterator.traverse(node.body, { scope })
if (Signal.isReturn(signal)) {
return signal.value
}
}
Object.defineProperties(fn, {
name: { value: node.id ? node.id.name : '' },
length: { value: node.params.length }
})
return fn
}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。
ThisExpression (nodeIterator) {
const value = nodeIterator.scope.get('this')
return value ? value.value : null
}10、new表达式处理器——NewExpression()
和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。
NewExpression (nodeIterator) {
const func = nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.callee)
const args = nodeIterator.node.arguments.map(arg => nodeIterator.traverse(arg))
return new (func.bind(null, ...args))
}11、For循环节点处理器——ForStatement()
For循环的三个参数对应着节点的init，test，update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。
ForStatement (nodeIterator) {
const node = nodeIterator.node
let scope = nodeIterator.scope
if (node.init && node.init.type === 'VariableDeclaration' && node.init.kind !== 'var') {
scope = nodeIterator.createScope('block')
}
for (
node.init && nodeIterator.traverse(node.init, { scope });
node.test ? nodeIterator.traverse(node.test, { scope }) : true;
node.update && nodeIterator.traverse(node.update, { scope })
) {
const signal = nodeIterator.traverse(node.body, { scope })
if (Signal.isBreak(signal)) {
break
} else if (Signal.isContinue(signal)) {
continue
} else if (Signal.isReturn(signal)) {
return signal
}
}
}同理，for…in，while和do…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if，if…else，if…elseif…else。
IfStatement (nodeIterator) {
if (nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.test)) {
return nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.consequent)
} else if (nodeIterator.node.alternate) {
return nodeIterator.traverse(nodeIterator.node.alternate)
}
}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。
const { Parser } = require('acorn')
const NodeIterator = require('./iterator')
const Scope = require('./scope')
class Canjs {
constructor (code = '', extraDeclaration = {}) {
this.code = code
this.extraDeclaration = extraDeclaration
this.ast = Parser.parse(code)
this.nodeIterator = null
this.init()
}
init () {
// 定义全局作用域，该作用域类型为函数作用域
const globalScope = new Scope('function')
// 根据入参定义标准库之外的全局变量
Object.keys(this.extraDeclaration).forEach((key) => {
globalScope.addDeclaration(key, this.extraDeclaration[key])
})
this.nodeIterator = new NodeIterator(null, globalScope)
}
run () {
return this.nodeIterator.traverse(this.ast)
}
}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。
项目仓库地址：https://github.com/jrainlau/canjs
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
关于本文
作者：@jrainlau
原文：https://segmentfault.com/a/1190000017241258
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