模式解释器实践

在上一篇文章中，我们研究了解释器模式的理论，了解了 AST 树是什么以及如何抽象终结符和非终结符表达式。这次，让我们抛开理论，看看如何将这种模式应用到我们每天都在使用的严肃商业项目中！

剧透：您现在可能正在使用解释器模式，只需在浏览器中阅读此文本即可！

业界使用此模式的最引人注目、也许也是最重要的示例之一是 JavaScript。这种语言最初是“在膝盖上”创建的，如今，由于解释的概念，它可以在数十亿台设备上运行。

改变互联网的 10 天

JavaScript 的历史充满了传奇。 1995 年，Brendan Eich 在 Netscape Communications 工作时，接到的任务是创建一种可以直接在浏览器 (Netscape Navigator) 中运行的简单脚本语言，以使网页具有交互性。管理层想要一种类似于当时超级流行的 Java 语法的东西，但不是针对专业工程师，而是针对网页设计师。

Eich 仅用了10 天来编写该语言的第一个原型，该语言当时被称为 Mocha（然后是 LiveScript，出于营销原因才称为 JavaScript）。这种热潮并非偶然：微软紧随其后，同时也在积极准备自己的脚本语言 VBScript，以便嵌入 Internet Explorer 浏览器中。 Netscape 迫切需要发布回应，以免在迫在眉睫的浏览器战争中落败。

根本没有时间将复杂的编译器编写成机器代码。对于 Eich 来说，显而易见且最快的解决方案是经典解释器的架构。

第一个解释器（SpiderMonkey）的工作方式如下：

  1. 它从页面读取脚本的文本源代码。
  2. 词法分析器将文本分解为标记。
  3. 解析器构建了一个抽象语法树（AST）。就解释器模式而言，这棵树由终端表达式（字符串，数字如42）和非终端（函数调用，语句如If、While）组成。
  4. 然后虚拟机一步步“遍历”这棵树，在每个节点执行嵌入其中的指令（调用类似于 Interpret() 的方法）。

上下文和对象

还记得在经典实现中我们必须传递给 Interpret(Context context) 方法的 Context 对象吗？解释器需要它来存储当前的内存状态。

就 JavaScript 而言，顶层上下文的角色由全局对象（例如浏览器中的窗口）扮演。例如，当您的 AST 节点尝试通过 document.write(“Hello”) 将文本写入屏幕时，解释器会访问其上下文（文档对象）并调用所需的内部浏览器 API。

多亏了解释器，JavaScript 才能够如此轻松地与 DOM（文档对象模型）进行交互 – 这些都只是上下文中可由树节点访问的对象。

解释器的演变：JIT 编译

从历史上看，浏览器中的 JS 长期以来一直是“纯粹”的解释器。而这有一个很大的缺点——速度慢。每次执行脚本时解析树并缓慢遍历每个节点会减慢复杂的 Web 应用程序的速度。

随着 2008 年 Google V8 引擎（内置于 Chrome 中）的出现，一场革命发生了。工程师们意识到，对于现代网络来说，一个解释器是不够的。引擎变得更加复杂：它仍然构建 AST 树，但现在使用 JIT（即时）编译。

现代 JS 引擎（V8、SpiderMonkey）的工作方式就像一个复杂的管道：

  1. 快速而愚蠢的基本解释器立即开始执行您的 JS 代码，甚至无需等待它编译（经典模式在这里仍然有效）。
  2. 同时，引擎会监控代码的“热门”部分（被调用数千次的循环或函数）。
  3. 这些部分由 JIT 编译器直接编译为优化的机器代码，绕过缓慢的解释器。

正是解释器的即时启动和编译的计算能力的结合让 JavaScript 占领了世界，成为服务器 (Node.js) 和移动应用程序 (React Native) 的语言。

游戏行业的翻译

尽管 C++ 在重型计算领域占据主导地位，但解释器模式仍然是游戏开发中用于创建游戏逻辑的行业标准。为了什么？这样游戏设计师就可以制作游戏，而无需“放弃”引擎或需要不断重新编译引擎的风险。

一个很好的历史例子是UnrealScript – 虚幻竞技场和战争机器游戏的逻辑是在虚幻引擎1、2和3中编写的语言。文本被编译成紧凑的抽象机器字节码，然后由引擎的虚拟机逐步（解释）。

可视化图形脚本（蓝图）

如今，文本已被可视化编程所取代 – 虚幻引擎 4 和 5 中的蓝图系统。

如果您曾经在虚幻引擎中打开过蓝图，您就会看到很多通过电线连接的节点。从架构上来说，整个蓝图图是绘制在屏幕上的巨大抽象语法树 (AST)：

  1. 终端表达式：常量节点。例如，仅存储数字 42 或字符串的节点。它们在解释时返回特定值。
  2. 非终止表达式：计算节点（添加）或流控制节点（分支）。它们具有参数输入，解释器首先对其进行递归计算，然后将结果作为输出引脚生成。

而上下文在这里的作用是由特定游戏对象（Actor）实例的记忆来扮演的。解释器机器安全地“行走”通过该图，请求数据并执行转换。

解释器还用在什么地方？

解释器模式几乎可以在任何需要执行动态指令的复杂系统中找到。以下只是商业软件中的一些示例：

  • 解释型编程语言（Python、Ruby、PHP）。它们的整个运行时基于经典模式。例如，CPython 参考实现首先将您的 .py 脚本解析为 AST，将其编译为字节码，然后一个巨大的虚拟机（计算循环）逐步解释该字节码。
  • Java 虚拟机 (JVM)。 最初，Java 代码不是编译成机器指令，而是编译成字节码。当您运行应用程序时，JVM 充当解释器（尽管使用积极的 JIT 编译，就像在 V8 中一样）。
  • 数据库和 SQL 当您在 PostgreSQL 或 MySQL 中发出 SQL 查询（SELECT * FROM users）时，数据库引擎充当解释器。它执行词法分析，构建 AST 查询树，生成执行计划，然后通过迭代表的行来逐字“解释”该计划。
  • 正则表达式 (RegEx)。任何正则表达式引擎都会在内部将字符串模式（例如 ^\d{3}-\d{2}$）解析为状态图 (NFA/DFA 自动机)，然后内部解释器会通过该状态图，将每个输入字符与该图的顶点进行匹配。
  • Unity Shader Graph / 虚幻材质编辑器 – 将视觉节点解释为模块化着色器代码 (GLSL/HLSL)。
  • Blender 几何节点 – 解释数学和几何运算以按程序实时生成 3D 模型。

总计

解释器模式早已超出了“编写自己的计算器”的范围。这是最有力的行业标准。从每天在浏览器幕后执行数十亿字节代码的 JavaScript 引擎，到无需 C++ 知识即可构建复杂逻辑的游戏设计者，解释器仍然是现代 IT 开发中最重要的架构概念之一。

Published by demensdeum