[心得] interpreter 環境與變數

[descent (「雄辯是銀，沉默是金」)]

變數就是字面上的意思, 寫程式的都知道, 但知道 interpreter 怎麼把這功能做出來的
程式員可能就不多了。


list 1
 1 x=1;
 2 x+5;



list 1 L2 怎麼把 x, 1 做個對應的呢? 就是靠《環境》, 他不是什麼神祕的東西, 用
c++ 來說明什麼是環境的話就是:


std::map<std::string, ASTNode *> env;

然後把 env["x"]=1 就完成 x=1 這個運算式。

不管你用什麼資料結構, 反正就是把 x 和 1 的關係存起來就對了。感覺很簡單, 但真實
世界上可沒這麼簡單, 不過教學就是要化繁為簡, 先知道這樣就夠了。

再來的 list 1 L2 在 x+5 要做 eval 時, eval 5 就回傳 5 ASTNode 本身, x 就到
env 去把他對應的數字找出來, 也就是 1， 所以傳回 1 的 ASTNode, 然後 + 就可以把
1, 5 作相加的運算, 6 就這麼算出來了。

那《環境》困難在哪裡呢? 在 function call。


p1
 1 int x;
 2 int f1()
 3 {
 4   2*3;
 5   12+13;
 6 }
 7
 8 int f2(int i)
 9 {
 9.5 int cc;
10   5*i;
11 }
12 int main()
13 {
14   int z;
15   61+2;
16   z=5;
17   f1();
18   f2(z);
19 }



如果像 p1 這樣, 掃描到 L1 時, 把 x 加入 global_env (table 1), 在 call main
時, 要產生 main_env (table 2), main_env 的上層 up_env 要指到 global_env, 當掃
描到 L 14 時, 把 z:0 加入到 main_env, 而掃描到 L 16 時, 把 5 的值至換到 z
(table 3), 在 call f2(z) 時 (L 18), 又要產生 f2_env (table 4), 再把 up_env 指
到 main_env, 並把 z/i 的對應存到 f2_env, cc 的對應也要存到 f2_env, 疑, cc 沒對
應的值阿, 隨便塞一個就好了, 這不就是 c 語言 auto 變數的行為嗎? 而上層 env 要指
到 main_env, 這樣層層下去, 讓整個環境建立起所有的變數名稱/變數值的對應關係。大
概像 env class 那樣。


table 1. global_env
 up_env 0
 x 0


table 2. main_env
 up_env global_env
 z 0


table 3 main_env
 up_env global_env
 z 5


table 4. f2_env
 up_env main_env
 i z
 cc 0


所以在 f2() 裡頭用到 cc, i 時, 就去查 f2_env, 把對應的值找出來, 就可以知道這個
變數的值, 而在這層找不到, 就要去 up_env 找, 都找不到就發出錯誤訊息。


env class
14 class Environment
15 {
16   public:
17     Environment(Environment *outer=0, const char *name=0): outer_(outer)
18     {
21     }
22     Environment *outer_;
31     int free_frame_index_;
32   private:
33     std::map<std::string, ASTNode *> frame_;
34 };



觀念很簡單, 但實作還是會困難一點, 可參考以下範例程式碼。以下程式碼只有實作最簡
單的環境, 我還沒完成 function call 那複雜的環境。目前的版本我已經完成了
function call 和 return, 真是有種覺得自己很不簡單的感覺呢!

source code:
https://github.com/descent/simple_compiler ( https://goo.gl/FBON5s )
commit: 0452c23b770dad99b1d503e0f417cae45879ce72

除了加入變數, 函式的定義也一樣要加入環境, 當呼叫一個函式時, 就到環境來找這個函
式, 找到後把 parameter, argument 配對後, 就去執行該函式了。

至於函式的傳回值, 那又是另外一件事情了。

因為使用了「環境」來處理「變數」, 這便是「環境變數」名稱的由來。

打通整個 interpreter 流程並不容易, 當我滿懷好奇心將所有疑問抽絲剝繭, 最後接觸
到本質的那一刻, 我知道這些努力與堅持是值得的, 縱使我無法因為這樣而在工作上有立
即的幫助, 但滿足自己的好奇心就是驅使我這麼做的最大動力。

// 本文使用 Blog2BBS 自動將Blog文章轉成縮址的BBS純文字 http://goo.gl/TZ4E17 //

blog 原文
http://descent-incoming.blogspot.tw/2016/07/compiler-4.html

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紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 113.196.174.254
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/C_and_CPP/M.1480043372.A.661.html
噓 Ommm5566: 排版
排版有什麼問題嗎？

* 該有的標點符號都有
* 英文和中文字有留空白
* 半形逗號後面也留一個空白
* () 前後也留空白
* 程式碼也有行號

如果 bbs 版本不好看, 也可以參考網頁版本。
推 wtchen: 推回來，我覺得排版沒問題阿
推 art1: 掃到 L14 那裡有點看不懂，那一行是int z，但你的說明是把
→ art1: x:0 加到 main環境
感謝, 筆誤, 己修正
→ MOONRAKER: ptt的排版就是 我看得順眼才叫排版 我看不順眼就噓排版
→ MOONRAKER: 一堆連報紙都沒看過的○○滿口排版 強！
推 EdisonX:  請問有機會介紹 conditions 嗎？
conditions 是指 if/else 嗎？

推 youtuuube000: 看不懂感覺很厲害先推再說XD
推 EdisonX: 是的  我說的conditions 泛指條件判斷 含if else elsif s
→ EdisonX: witch case
會的, 目前的實作有
if/else
while
funcion call
當然還有 c 最具代表性的指標, 只不過是 interpreter 的指標版本。
推 EdisonX:  期待您的 part 2
推 Ommm5566: 那很抱歉 補回來推
推 eye5002003: 這專案是用C++實現一個直譯器採用C做為腳本語言嗎?
是的, 本來打算寫編譯器的, 不過發現有點難, 只好先改成直譯器的版本。
推 eye5002003: 喔!我有做過類似的事，建議使用C++11的特性
→ eye5002003: 匿名函式用來寫parser很有幫助，個人意見
有沒有什麼建議的寫法, 我那程式碼醜的要命。
推 EdisonX:  goo.gl/b70T6m
感謝分享, c++ 程度不太好, 看不懂用 匿名函式 的好處。

我的 AST 沒有使用物件導向, 所以沒有很多 node type,
但 eval() 裡頭就有一大堆的 switch/case, 這部份相當醜陋,
但用物件導向我也不覺得有比較好, 這是個困難的選擇。

四則運算解析器那篇沒把 ebnf 列出來, 要看懂那個程式會相當困難。
※ 編輯: descent (175.98.141.254), 11/29/2016 17:23:03
推 CoNsTaR: 這種時候就會覺得有 pattern matching 的語言真好 XDD
推 littleshan: functional language 拿來做這種事超愉悅的 XD
→ littleshan: 推薦coursera上由UW提供的programming languages課程
→ littleshan: 從此人生打開了另一扇窗