Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）

栏目: 编程语言 · Clojure · 发布时间: 8年前

内容简介：Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）

继续上篇，本篇的目的是将 parse 过程介绍完成，然后我们就可以进入编译和运行环节。

目录：

LispReader 补充

上篇在介绍 LispReader 源码核心片段的时候没有介绍最后一个比较关键的代码片段： 

      String token = readToken(r, (char) ch);
      return interpretToken(token);

interpretToken 方法将去解析字符串 token 的含义，token 就是一个词汇单元，它的含义是什么，完全由 interpretToken 决定： 

static private Object interpretToken(String s) {
  if(s.equals("nil"))
      {
      return null;
      }
  else if(s.equals("true"))
      {
      return RT.T;
      }
  else if(s.equals("false"))
      {
      return RT.F;
      }
  Object ret = null;

  ret = matchSymbol(s);
  if(ret != null)
      return ret;

  throw Util.runtimeException("Invalid token: " + s);
}

代码其实很清楚，token 可能是：

  • nil
  • true
  • false
  • symbol

symbol 再次说明下，你可以暂时理解为 Java 的变量 identifier，指代某个值。

P.S. LispReader 用了相当多的相当复杂的正则表达式来匹配整数、symbol、分数等，这一块也许有性能优化的空间。

Analyze

我们在上一篇提到， LispReader 它只负责解析出一个可以被求值的合法的 form，进行一些初步的语法规则检查，至于这个 form 更进一步是否符合语义，它并不关心。

比如前文举例了 (read-string "(if true 1 2 3)") ，它可以被 LispReader 读出来，但是其实是不符合 if 这个 special form 的要求的，因为它只接受两个或者三个参数。

更进一步的检查是放在 clojure.lang.Compiler 中的，这个类也是 Clojure 代码编译成 JVM 所理解的字节码并交由 JVM 运行的核心。

具体地说，是 Compiler 类中的 analyze 方法，它会分析 LispReader 读出来的 form，并转化可以求值的 Expr。如图：

Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）

Expr 是一个 Java 接口，它有各种各样的子类，接口本身寥寥几个方法：

interface Expr{
  Object eval() ;

  void emit(C context, ObjExpr objx, GeneratorAdapter gen);

  boolean hasJavaClass() ;

  Class getJavaClass() ;
}

其中：

  • eval 用于对自身求值，得出表达式的结果。
  • emit 用于编译，这个编译特指 Clojure 的 编译 ，它会生成 Java 的 class 文件。
  • hasJavaClass 和 getJavaClass 是为了编译环节做优化引入的，暂时不聊。

关于 eval 和 emit 我们放到下一篇文章的编译再讲。这里还是聚焦在 Compiler 如何 analyze 出 Expr。

analyze 的核心仍然是一个 50 多行的 if else 派发 ，它会检查传入的 form 的类型，然后根据类型进入更具体的 analyze 方法，比如 (if true 1 2 3) 这是一个 Sequence，那么会进入 analyzeSeq 方法： 

......
else if(form instanceof ISeq)
              return analyzeSeq(context, (ISeq) form, name);
......

在 analyzeSeq 中，它会先判断 form 的第一个元素(first)是否是 fn ，也就是一个函数，如果不是，那么会去检查下是否是specail form，这里也是一个查表法： 

   Object op = RT.first(form);

   IParser p;
  if(op.equals(FN))
      return FnExpr.parse(context, form, name);
  else if((p = (IParser) specials.valAt(op)) != null)
      return p.parse(context, form);
  else
      return InvokeExpr.parse(context, form);

最后，如果不是 fn ，也不是 special forms，那么可能是一个调用（比如函数调用，宏调用，Java method 调用等），那就进入 InvokeExpr 的 parse 过程。

special forms 都定义在 specials map 里了： 

static final public IPersistentMap specials = PersistentHashMap.create(
      DEF, new DefExpr.Parser(),
      LOOP, new LetExpr.Parser(),
      RECUR, new RecurExpr.Parser(),
      IF, new IfExpr.Parser(),
      CASE, new CaseExpr.Parser(),
      LET, new LetExpr.Parser(),
      LETFN, new LetFnExpr.Parser(),
      DO, new BodyExpr.Parser(),
      FN, null,
      QUOTE, new ConstantExpr.Parser(),
      THE_VAR, new TheVarExpr.Parser(),
      IMPORT, new ImportExpr.Parser(),
      DOT, new HostExpr.Parser(),
      ASSIGN, new AssignExpr.Parser(),
      DEFTYPE, new NewInstanceExpr.DeftypeParser(),
      REIFY, new NewInstanceExpr.ReifyParser(),
//       TRY_FINALLY, new TryFinallyExpr.Parser(),
TRY, new TryExpr.Parser(),
THROW, new ThrowExpr.Parser(),
MONITOR_ENTER, new MonitorEnterExpr.Parser(),
MONITOR_EXIT, new MonitorExitExpr.Parser(),
//       INSTANCE, new InstanceExpr.Parser(),
//       IDENTICAL, new IdenticalExpr.Parser(),
//THISFN, null,
CATCH, null,
FINALLY, null,
//       CLASS, new ClassExpr.Parser(),
NEW, new NewExpr.Parser(),
//       UNQUOTE, null,
//       UNQUOTE_SPLICING, null,
//       SYNTAX_QUOTE, null,
_AMP_, null
);

可以看到核心的 special forms 其实是非常少的，所以我一直不理解被人说 clojure 语法复杂。其实它的核心语法就这么 20 几个 special forms。

每个 special form 都对应一个 IParser 的子类：

interface IParser{
  Expr parse(C context, Object form) ;
}

实现其中的 parse 方法，将 form 解析成对应的 Expr 子类。 if 对应的就是 IfExpr.Parser 和 IfExpr 了。

我们来画张 UML 图总结下这块结构：

Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）

每个 Expr 子类都有个内部类 Parser ，它实现了 IParser 接口的 parse 方法，然后解析出对应的外部类这个 Expr 对象。

下面我们来分析一两个 Parser 。

Parser 举例： if

以 IfExpr.Parser 为例子，去除一些我们暂时不关心的内容之后： 

public Expr parse(C context, Object frm) {
    ISeq form = (ISeq) frm;
     //(if test then) or (if test then else)
    if(form.count() > 4)
          throw Util.runtimeException("Too many arguments to if");
    else if(form.count() < 3)
          throw Util.runtimeException("Too few arguments to if");

    Expr testexpr = analyze(context == C.EVAL ? context : C.EXPRESSION, RT.second(form));
    Expr thenexpr, elseexpr;

    try {
    thenexpr = analyze(context, RT.third(form));
    }finally{......}

    try {
    elseexpr = analyze(context, RT.fourth(form));
    } finally{......}
    return new IfExpr(lineDeref(),
                        columnDeref(),
                        testexpr,
                        thenexpr,
                        elseexpr);
}

这逻辑实在太直白了，所以我注释都没加：

  1. 检查下整个 form 的元素数目是不是在 3 个或者 4 个（为什么不是 2 或者 3？因为 if 本身是 form 的第一个元素）。如果参数不对，就报错。
  2. 调用 analyze 递归分析 test 『语句』，也就是 form 的第二个元素。
  3. 调用 analyze 继续分析 then 和 else 『语句』。
  4. 最后，将分析后的结果生成一个 IfExpr 对象返回。

Parser 举例：fn

我们再来分析一个稍微复杂点的，比如 fn ，fn 有两种格式： 

;;定义函数，没有其他重载函数。
(fn name? [params* ] condition-map? exprs*)
;;定义函数，多个重载函数分支，每个都是 ([params* ] condition-map? exprs*) 的格式
(fn name? ([params* ] condition-map? exprs*)+)

前者也是先在 FnExpr.Parser 内转成后者的： 

//now (fn [args] body...) or (fn ([args] body...) ([args2] body2...) ...)
//turn former into latter
if(RT.second(form) instanceof IPersistentVector)
    form = RT.list(FN, RT.next(form));

然后对 form 做迭代，每个重载分支称为一个 FnMethod ，调用 FnMethod.Parser 来解析： 

 for (ISeq s = RT.next(form); s != null; s = RT.next(s)) {
            FnMethod f = FnMethod.parse(fn, (ISeq) RT.first(s), fn.isStatic);
            if (f.isVariadic()) {
                if (variadicMethod == null)
                    variadicMethod = f;
                else
                    throw Util.runtimeException("Can't have more than 1 variadic overload");
            }
            else if (methodArray[f.reqParms.count()] == null)
                methodArray[f.reqParms.count()] = f;
            else
                throw Util.runtimeException("Can't have 2 overloads with same arity");
            if (f.prim != null)
                prims.add(f.prim);
        }

解析出来的 FnMethod 会根据它的参数个数加到数组 methodArray 里。这个数组的大小是 21 个，也就是说任何函数的重载分支不能超过 21 个，需要更多参数的，请使用可变参数 [& args] 。

其中 variadicMethod 会指向其中的可变参数分支的 FnMethod （ f.isVariadic 返回真），但是会检查这个分支的参数个数必须比其他分支的参数个数多： 

for(int i = variadicMethod.reqParms.count() + 1; i <= MAX_POSITIONAL_ARITY; i++)
  if(methodArray[i] != null)
      throw Util.runtimeException(
              "Can't have fixed arity function with more params than variadic function");

举个例子：

user=> (fn ([a] 1) ([a b c] 3) ([a & args] :variadic))
CompilerException java.lang.RuntimeException: Can't have fixed arity function with more params than variadic function

FnMethod Parser

FnMethod 指代一个函数的重载分支，它的解析也很直白，先解析参数列表： 

FnMethod method = new FnMethod(......);
......
PersistentVector argLocals = PersistentVector.EMPTY;
for(int i = 0; i < parms.count(); i++)
{
  if(!(parms.nth(i) instanceof Symbol))
      throw new IllegalArgumentException("fn params must be Symbols");
  Symbol p = (Symbol) parms.nth(i);
  ......
  argLocals = argLocals.cons(lb);
}
method.argLocals = argLocals;

参数一定是 symbol，所有参数收集到一个 PersistentVector 里。

如果有可变参数符号 & ，那么就有 restParam : 

static final Symbol _AMP_ = Symbol.intern("&");
......
if(p.equals(_AMP_)){
......
   state = PSTATE.REST;
......
   case REST:
      method.restParm = lb;

然后前文提到的 isVariadic 就是判断有没有 restParm: 

   //是否是可变参数分支
  boolean isVariadic(){
      return restParm != null;
  }

然后解析函数 body:

method.body = (new BodyExpr.Parser()).parse(C.RETURN, body);
return method;

解析 Body 的 BodyExpr 又是一个递归调用 analyze 的过程： 

 public Expr parse(C context, Object frms) {
      ISeq forms = (ISeq) frms;
      //可能是 (do form1 form2 ...)，取 next 部分。
      if(Util.equals(RT.first(forms), DO))
          forms = RT.next(forms);
      PersistentVector exprs = PersistentVector.EMPTY;
      //遍历 body form 列表，收集结果到 exprs vector
      for(; forms != null; forms = forms.next())
          {
          Expr e = (context != C.EVAL &&
                    (context == C.STATEMENT || forms.next() != null)) ?
                   analyze(C.STATEMENT, forms.first())
                                                                      :
                   analyze(context, forms.first());
          exprs = exprs.cons(e);
          }
      //如果 body 为空，返回 nil
      if(exprs.count() == 0)
          exprs = exprs.cons(NIL_EXPR);
      // 否则返回 BodyExpr
      return new BodyExpr(exprs);
  }

Primitive 参数性能优化

细心的朋友可能还注意上面 FnExpr 遍历重载分支的时候有个 prims 的链表，它会将 fn.prime 不为 null 的加进去。它是干什么的呢？ 

 if (f.prim != null)
   prims.add(f.prim);

其实这里是 Clojure 编译器为了 long/double 类型的参数避免类型转化和 box/unbox 引入的性能优化。prim 就是 primitive 的意思。当参数的 type hint 包含 double 或者 long 类型的并且参数个数小于4个的时候，生成的 Java 字节码方法将直接传入 long 或者 double 原生类型参数，而不是一般的 Object 类型，避免了转型和装箱拆箱。

FnMethod 相关代码： 

method.prim = primInterface(parms);

static public char classChar(Object x){
      Class c = null;
      if(x instanceof Class)
          c = (Class) x;
      else if(x instanceof Symbol)
          c = primClass((Symbol) x);
      if(c == null || !c.isPrimitive())
          return 'O';
      //如果是 long 类型，返回 L 字符
      if(c == long.class)
          return 'L';
      // 如果是 double 类型，返回 D 字符
      if(c == double.class)
          return 'D';
      throw new IllegalArgumentException("Only long and double primitives are supported");
}

static public String primInterface(IPersistentVector arglist) {
      StringBuilder sb = new StringBuilder();
      //拼接所有参数类型字符
      for(int i=0;i<arglist.count();i++)
          sb.append(classChar(tagOf(arglist.nth(i))));
      sb.append(classChar(tagOf(arglist)));
      String ret = sb.toString();
      //如果包含了 D 或者 L，并且参数个数小于 4 个，就认为是一个 prim 分支。
      boolean prim = ret.contains("L") || ret.contains("D");
      if(prim && arglist.count() > 4)
          throw new IllegalArgumentException("fns taking primitives support only 4 or fewer args");
      //特殊命名
      if(prim)
          return "clojure.lang.IFn$" + ret;
      return null;
  }

Clojure 编译器会为每个函数分支都生成一个 invoke 方法。 举例来说，对于方法 (fn [^long a ^String b] :nothing) ，如果没有这个优化，生成的 Java 方法大概是这样： 

public Object invoke(Object a, Object b){
    long a  = (Long) a;
    String b = (String) b;
    return Keyword.intern("nothing");
}

对于参数 a 来说，为了转化成 long 原生类型需要经过转型和拆箱两个调用，这对于性能敏感的场景是一个损耗。有了这个优化， invoke 方法就可以是这样：

public Object invokePrim(long a, Object b){
    String b = (String) b;
    return Keyword.intern("nothing");
}

有兴趣地还可以阅读下这篇 博客 warn-on-boxed 。这个优化对于数值计算的性能有很大作用，从测试来看，有一倍的提升。

总结

clojure.lang.Compiler 的 analyze 进一步将 LispReader 读出来的 form 解析成了 Expr，等待进一步的求值或者编译成 Java Class 文件。 analyze 过程也是一个递归下降解释器的实现，整体实现并不复杂。

结合前文和本篇博客，我们可以给 Clojure 编译器初步画一张流程图，只考虑求值过程，暂不考虑 compile 函数：

Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）

接下来，我们即将进入求值和编译环节。

最后附赠一个 Compiler 所有 Expr 子类的 UML 图（单独打开放大）：

Clojure Under a Microscope(1)：Clojure 如何理解代码（下）


以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网

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