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:
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:
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:
- 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。 - 调用
analyze
递归分析 test 『语句』,也就是 form 的第二个元素。 - 调用
analyze
继续分析 then 和 else 『语句』。 - 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:
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):
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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