JavaScript引擎是解释和执行JavaScript代码的核心组件。
词法分析器
词法分析器是编译器中的一个重要组成部分，其作用是将源程序中的字符流转换为词法单元流，以便后续的语法分析。设计词法分析器的基本步骤如下：
- 确定词法单元的类型和模式 词法单元是源程序中的最小语法单位，例如标识符、关键字、常量、运算符等。在设计词法分析器时，需要确定每种词法单元的类型和对应的正则表达式模式，以便识别源程序中的词法单元。
例如，对于一个简单的算术表达式语言，可以定义如下的词法单元类型和模式：
- 标识符：以字母或下划线开头，后跟任意个字母、数字或下划线。
- 数字常量：一个或多个数字组成的字符串。
- 运算符：加号、减号、乘号、除号等。
- 左右括号：左括号、右括号。
- 编写正则表达式模式 确定词法单元类型和模式后，需要编写对应的正则表达式模式，以便识别源程序中的词法单元。正则表达式是一种描述字符串模式的语言，可以用来匹配符合某种模式的字符串。
例如，对于标识符，可以使用正则表达式[a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]*来匹配以字母或下划线开头、后跟任意个字母、数字或下划线的字符串。
- 实现词法分析器 在实现词法分析器时，可以使用自动机或递归下降分析等算法，对源程序进行扫描和识别。具体实现方式可以参考以下步骤：
- 读入源程序字符流，逐个字符进行扫描。
- 对每个字符进行分类，判断其属于哪种词法单元。
- 根据词法单元类型和模式，使用正则表达式进行匹配。
- 如果匹配成功，则生成对应的词法单元，并将其加入词法单元流中；否则，报告词法错误。
- 输出词法单元流 在词法分析器完成扫描和识别后，需要将生成的词法单元流输出给后续的语法分析器。词法单元流可以使用链表、数组等数据结构来表示。
例如，对于一个简单的算术表达式语言，源程序"1+2*(3-4)"的词法单元流可以表示为：
| 类型 | 值 |
|---|---|
| 数字常量 | 1 |
| 运算符 | + |
| 数字常量 | 2 |
| 运算符 | * |
| 左括号 | ( |
| 数字常量 | 3 |
| 运算符 | - |
| 数字常量 | 4 |
| 右括号 | ) |
设计词法分析器
词法分析器是编译器的一个重要组成部分，用于将源代码转换成标记流（Token Stream）。下面是一个简单的词法分析器的设计：
- 定义Token类，用于表示标记。Token类应该包含以下属性：
- type：标记类型，例如关键字、标识符、运算符等。
- value：标记的值，例如标识符的名称、数字的值等。
- line：标记所在的行号。
- 定义词法分析器类，用于将源代码转换成标记流。词法分析器类应该包含以下方法：
- getNextToken()：从源代码中读取下一个标记，并返回一个Token对象。
- tokenize()：将整个源代码转换成标记流。
- 在getNextToken()方法中，可以按照以下步骤进行：
- 跳过空格、制表符、换行符等空白字符。
- 判断当前字符是否为数字，如果是数字则读取整个数字，并返回一个数字类型的Token对象。
- 判断当前字符是否为字母，如果是字母则读取整个标识符，并判断是否为关键字，如果是则返回一个关键字类型的Token对象，否则返回一个标识符类型的Token对象。
- 判断当前字符是否为运算符，如果是则返回一个运算符类型的Token对象。
- 如果当前字符不是数字、字母或运算符，则返回一个未知类型的Token对象。
- 在tokenize()方法中，可以按照以下步骤进行：
- 读取整个源代码。
- 循环调用getNextToken()方法，直到读取完所有的标记。
- 返回一个包含所有Token对象的数组。
设计语法分析器
语法分析器是编译器的另一个重要组成部分，用于将标记流转换成抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。下面是一个简单的语法分析器的设计：
- 定义AST节点类，用于表示抽象语法树的节点。AST节点类应该包含以下属性：
- type：节点类型，例如表达式、语句、变量声明等。
- value：节点的值，例如变量名、常量值等。
- children：子节点列表，用于表示节点的子节点。
- 定义语法分析器类，用于将标记流转换成抽象语法树。语法分析器类应该包含以下方法：
- parse()：解析标记流，并返回一个AST根节点。
- 在parse()方法中，可以按照以下步骤进行：
- 读取标记流中的第一个标记，并根据标记的类型创建一个根节点。
- 根据语法规则，递归调用子节点的解析方法，创建子节点，并将子节点添加到根节点的子节点列表中。
- 如果当前标记不符合语法规则，则抛出语法错误异常。
- 重复步骤2和3，直到解析完整个标记流。
- 在AST节点类中，可以定义一些辅助方法，例如：
- isLeaf()：判断当前节点是否为叶子节点。
- getChildren()：返回当前节点的子节点列表。
- getType()：返回当前节点的类型。
- getValue()：返回当前节点的值。 以上是一个简单的语法分析器的设计，实际上还需要考虑很多细节，例如处理优先级、左结合性、右结合性等特殊情况。
实现JavaScript运行时
实现JavaScript运行时需要实现以下几个部分：
-
词法分析器：读取JavaScript代码并将其转换成标记流（Token Stream）。
-
语法分析器：将标记流转换成抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。
-
执行引擎：遍历抽象语法树，并执行其中的代码。
-
内置对象和函数：实现JavaScript的内置对象和函数，例如Object、Array、Function等。
下面是一个简单的JavaScript运行时的实现：
-
词法分析器：使用正则表达式匹配JavaScript代码中的标记，并返回一个标记流（Token Stream）。
-
语法分析器：使用递归下降算法（Recursive Descent Parsing）将标记流转换成抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。
-
执行引擎：遍历抽象语法树，并执行其中的代码。
-
对于变量声明语句，创建一个变量并赋初值，将变量存入当前作用域中。
-
对于赋值语句，找到变量，并将其值赋为表达式的值。
-
对于表达式语句，计算表达式的值并忽略结果。
-
对于条件语句（if语句），根据条件表达式的值判断执行哪个分支。
-
对于循环语句（for、while语句），根据条件表达式的值判断是否执行循环体。
-
对于函数声明语句，创建一个函数对象并将其存入当前作用域中。
-
对于函数调用表达式，找到函数，并执行函数体。
-
对于对象属性访问表达式，找到对象并获取属性值。
-
对于数组元素访问表达式，找到数组并获取元素值。
- 内置对象和函数：实现JavaScript的内置对象和函数，例如Object、Array、Function等。可以使用JavaScript语言本身来实现这些内置对象和函数。
-
以上是一个简单的JavaScript运行时的实现，实际上还需要考虑很多细节，例如作用域、闭包、类型转换等特殊情况。
实现JavaScript解释器
JavaScript解释器的设计应该包括以下几个部分：
词法分析器：将JavaScript代码转换为标记流。
词法分析（Lexical Analysis）：将代码分解成单个的词法单元（tokens），例如关键字、标识符、运算符等。这可以通过正则表达式或手写解析器实现
语法分析器：将标记流转换为语法树。
语法分析（Parsing）：将词法单元转换成语法树（Abstract Syntax Tree，AST），并检查语法错误。这可以通过手写递归下降解析器、LL或LR分析器等实现。
语义分析器：对语法树进行语义分析。
语义分析（Semantic Analysis）：对AST进行语义分析，检查类型、作用域、函数调用等。这可以通过遍历AST并应用静态或动态分析算法实现。
执行器：执行语法树并输出结果。
将AST转换成可执行的机器代码或字节码。这可以通过直接解释、编译成本地代码或编译成中间代码并交给虚拟机执行等方式实现。
// 词法分析器
function tokenize(code) {
const tokens = [];
let pos = 0;
while (pos < code.length) {
let match = null;
// 匹配关键字和标识符
match = code.slice(pos).match(/^(\s+|let|if|else|while|for|[a-zA-Z]\w*)/);
if (match) {
tokens.push({type: match[1].trim()});
pos += match[0].length;
continue;
}
// 匹配数字
match = code.slice(pos).match(/^(\d+)/);
if (match) {
tokens.push({type: 'number', value: Number(match[1])});
pos += match[0].length;
continue;
}
// 匹配运算符
match = code.slice(pos).match(/^(+|-|*|/|=|>|<|!|&||)/);
if (match) {
tokens.push({type: 'operator', value: match[1]});
pos += match[0].length;
continue;
}
// 匹配括号和分号
match = code.slice(pos).match(/^((|)|{|}|;)/);
if (match) {
tokens.push({type: match[1]});
pos += match[0].length;
continue;
}
// 无法匹配的字符
throw new Error(`Unexpected character at position ${pos}`);
}
return tokens;
}
// 语法分析器
function parse(tokens) {
let pos = 0;
function parseExpression() {
// 匹配数字
if (tokens[pos].type === 'number') {
const node = {type: 'NumberLiteral', value: tokens[pos].value};
pos++;
return node;
}
// 匹配标识符
if (tokens[pos].type === 'let') {
const node = {type: 'VariableDeclaration', name: tokens[pos + 1].type};
pos += 2;
return node;
}
// 匹配括号
if (tokens[pos].type === '(') {
pos++;
const node = parseExpression();
if (tokens[pos].type !== ')') {
throw new Error(`Expected ')' at position ${pos}`);
}
pos++;
return node;
}
// 无法匹配的表达式
throw new Error(`Unexpected token at position ${pos}`);
}
function parseStatement() {
// 匹配变量声明语句
if (tokens[pos].type === 'let') {
const node = {type: 'VariableDeclaration', name: tokens[pos + 1].type};
pos += 2;
if (tokens[pos].type !== '=') {
throw new Error(`Expected '=' at position ${pos}`);
}
pos++;
node.value = parseExpression();
if (tokens[pos].type !== ';') {
throw new Error(`Expected ';' at position ${pos}`);
}
pos++;
return node;
}
// 匹配条件语句
if (tokens[pos].type === 'if') {
const node = {type: 'IfStatement'};
pos++;
if (tokens[pos].type !== '(') {
throw new Error(`Expected '(' at position ${pos}`);
}
pos++;
node.test = parseExpression();
if (tokens[pos].type !== ')') {
throw new Error(`Expected ')' at position ${pos}`);
}
pos++;
node.consequent = parseStatement();
if (tokens[pos].type === 'else') {
pos++;
node.alternate = parseStatement();
}
return node;
}
// 无法匹配的语句
throw new Error(`Unexpected token at position ${pos}`);
}
const ast = {type: 'Program', body: []};
while (pos < tokens.length) {
ast.body.push(parseStatement());
}
return ast;
}
const code = `
let x = 1;
if (x > 0) {
console.log('Positive');
} else {
console.log('Non-positive');
}
`;
const tokens = tokenize(code);
const ast = parse(tokens);
console.log(ast);
实现JavaScript编译器
词法编译器（Lexical Analyzer）
词法编译器（Lexical Analyzer）也被称为词法分析器（Lexer），是编译器中的一个组件，用于将源代码转换为令牌（Token）序列。令牌是编程语言中的基本单元，它们由词素（Lexeme）和令牌类型（Token Type）组成。
词法编译器通常由两个主要部分组成：令牌定义和扫描器。令牌定义是一组正则表达式，用于描述编程语言中的各种令牌类型。扫描器则根据这些正则表达式，对源代码进行扫描，并将其转换为令牌序列。
const TOKEN_TYPES = {
IDENTIFIER: 'IDENTIFIER',
NUMBER: 'NUMBER',
OPERATOR: 'OPERATOR',
PUNCTUATION: 'PUNCTUATION',
KEYWORD: 'KEYWORD',
};
const KEYWORDS = ['if', 'else', 'while', 'for', 'function', 'var', 'let', 'const', 'return'];
const OPERATORS = ['+', '-', '*', '/', '=', '==', '!=', '<', '>', '<=', '>=', '&&', '||'];
const PUNCTUATIONS = ['(', ')', '{', '}', ',', ';'];
function tokenize(code) {
const tokens = [];
let current = 0;
while (current < code.length) {
let char = code[current];
// 处理数字
if (/\d/.test(char)) {
let value = '';
while (/\d/.test(char)) {
value += char;
char = code[++current];
}
tokens.push({type: TOKEN_TYPES.NUMBER, value});
continue;
}
// 处理标识符和关键字
if (/[a-zA-Z]/.test(char)) {
let value = '';
while (/[a-zA-Z]/.test(char)) {
value += char;
char = code[++current];
}
if (KEYWORDS.includes(value)) {
tokens.push({type: TOKEN_TYPES.KEYWORD, value});
} else {
tokens.push({type: TOKEN_TYPES.IDENTIFIER, value});
}
continue;
}
// 处理运算符
if (OPERATORS.includes(char)) {
let value = '';
while (OPERATORS.includes(char)) {
value += char;
char = code[++current];
}
tokens.push({type: TOKEN_TYPES.OPERATOR, value});
continue;
}
// 处理标点符号
if (PUNCTUATIONS.includes(char)) {
tokens.push({type: TOKEN_TYPES.PUNCTUATION, value: char});
current++;
continue;
}
current++;
}
return tokens;
}
定义了一组令牌类型，包括标识符、数字、运算符、标点符号和关键字。然后，我们使用正则表达式和数组常量来定义这些令牌类型的规则。
tokenize函数中，遍历源代码中的每个字符，并根据其类型生成相应的令牌。例如，如果字符是数字，则我们将其解析为数字令牌，并将其添加到令牌序列中。
代码生成器：将语法树转换为可执行的机器代码。
代码生成器（Code Generator）是编译器中的一个组件，用于将抽象语法树（AST）转换为目标代码，例如机器代码、字节码或其他编程语言的代码。
代码生成器通常由两个主要部分组成：代码生成规则和代码生成器。代码生成规则是一组规则，用于描述如何将AST节点转换为目标代码。代码生成器则根据这些规则，对AST节点进行遍历，并将其转换为目标代码。
function generate(node) {
if (node.type === 'Program') {
return node.body.map(generate).join('\n');
}
if (node.type === 'NumberLiteral') {
return node.value;
}
if (node.type === 'Identifier') {
return node.name;
}
if (node.type === 'CallExpression') {
return `${node.name}(${node.params.map(generate).join(', ')})`;
}
throw new Error(`Invalid AST node: ${node.type}`);
}
:::
执行器（Executor）是编译器中的一个组件，用于执行目标代码，例如机器代码或字节码，并输出结果。执行器通常由两个主要部分组成：解释器和虚拟机。
解释器是一种直接执行目标代码的方法，它将目标代码逐条解释并执行。虚拟机是一种模拟计算机硬件的方法，它将目标代码转换为一组指令，并在虚拟计算机上执行这些指令。
function execute(code) {
const program = compile(code);
const bytecode = generate(program);
const instructions = parse(bytecode);
const vm = createVM(instructions);
const result = vm.run();
return result;
}
function createVM(instructions) {
let ip = 0;
let sp = -1;
const stack = new Array(256).fill(0);
function push(value) {
stack[++sp] = value;
}
function pop() {
return stack[sp--];
}
function run() {
while (ip < instructions.length) {
const instruction = instructions[ip++];
switch (instruction.opcode) {
case 'LOAD': {
push(instruction.value);
break;
}
case 'ADD': {
const b = pop();
const a = pop();
push(a + b);
break;
}
case 'SUB': {
const b = pop();
const a = pop();
push(a - b);
break;
}
case 'MUL': {
const b = pop();
const a = pop();
push(a * b);
break;
}
case 'DIV': {
const b = pop();
const a = pop();
push(a / b);
break;
}
case 'PRINT': {
const value = pop();
console.log(value);
break;
}
default: {
throw new Error(`Invalid opcode: ${instruction.opcode}`);
}
}
}
return pop();
}
return {run};
}
在这个例子中，我们定义了一个execute函数，它接受一个JavaScript源代码字符串作为输入，并将其编译为目标代码，然后使用虚拟机执行目标代码，并输出结果。
在createVM函数中，我们定义了一组虚拟机指令，包括LOAD（将常量加载到栈中）、ADD（将栈顶两个值相加）、SUB（将栈顶两个值相减）、MUL（将栈顶两个值相乘）、DIV（将栈顶两个值相除）和PRINT（打印栈顶的值）。然后，我们使用一个简单的栈来模拟虚拟机的堆栈，并在run函数中执行指令序列。
在execute函数中，我们首先将源代码编译为目标代码，然后将其解析为指令序列，并使用createVM函数创建一个虚拟机。最后，我们调用虚拟机的run函数，执行指令序列，并输出结果。
