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# 08 | 作用域和生存期：实现块作用域和函数
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目前，我们已经用Antlr重构了脚本解释器，有了工具的帮助，我们可以实现更高级的功能，比如函数功能、面向对象功能。当然了，在这个过程中，我们还要克服一些挑战，比如：
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* 如果要实现函数功能，要升级变量管理机制；
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* 引入作用域机制，来保证变量的引用指向正确的变量定义；
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* 提升变量存储机制，不能只把变量和它的值简单地扔到一个HashMap里，要管理它的生存期，减少对内存的占用。
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本节课，我将借实现块作用域和函数功能，带你探讨作用域和生存期及其实现机制，并升级变量管理机制。那么什么是作用域和生存期，它们的重要性又体现在哪儿呢？
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**“作用域”和“生存期”**是计算机语言中更加基础的概念，它们可以帮你深入地理解函数、块、闭包、面向对象、静态成员、本地变量和全局变量等概念。
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而且一旦你深入理解，了解作用域与生存期在编译期和运行期的机制之后，就能解决在学习过程中可能遇到的一些问题，比如：
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* 闭包的机理到底是什么？
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* 为什么需要栈和堆两种机制来管理内存？它们的区别又是什么？
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* 一个静态的内部类和普通的内部类有什么区别？
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了解上面这些内容之后，接下来，我们来具体看看什么是作用域。
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## 作用域（Scope）
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作用域是指计算机语言中变量、函数、类等起作用的范围，我们来看一个具体的例子。
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下面这段代码是用C语言写的，我们在全局以及函数fun中分别声明了a和b两个变量，然后在代码里对这些变量做了赋值操作：
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```
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/*
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scope.c
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测试作用域。
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*/
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#include <stdio.h>
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int a = 1;
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void fun()
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{
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a = 2;
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//b = 3; //出错，不知道b是谁
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int a = 3; //允许声明一个同名的变量吗？
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int b = a; //这里的a是哪个？
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printf("in fun: a=%d b=%d \n", a, b);
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}
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int b = 4; //b的作用域从这里开始
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int main(int argc, char **argv){
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printf("main--1: a=%d b=%d \n", a, b);
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fun();
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printf("main--2: a=%d b=%d \n", a, b);
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//用本地变量覆盖全局变量
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int a = 5;
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int b = 5;
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printf("main--3: a=%d b=%d \n", a, b);
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//测试块作用域
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if (a > 0){
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int b = 3; //允许在块里覆盖外面的变量
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printf("main--4: a=%d b=%d \n", a, b);
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}
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else{
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int b = 4; //跟if块里的b是两个不同的变量
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printf("main--5: a=%d b=%d \n", a, b);
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}
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printf("main--6: a=%d b=%d \n", a, b);
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}
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```
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这段代码编译后运行，结果是：
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```
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main--1: a=1 b=4
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in fun: a=3 b=3
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main--2: a=2 b=4
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main--3: a=5 b=5
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main--4: a=5 b=3
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main--6: a=5 b=5
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```
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我们可以得出这样的规律：
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* 变量的作用域有大有小，外部变量在函数内可以访问，而函数中的本地变量，只有本地才可以访问。
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* 变量的作用域，从声明以后开始。
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* 在函数里，我们可以声明跟外部变量相同名称的变量，这个时候就覆盖了外部变量。
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下面这张图直观地显示了示例代码中各个变量的作用域：
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另外，C语言里还有块作用域的概念，就是用花括号包围的语句，if和else后面就跟着这样的语句块。块作用域的特征跟函数作用域的特征相似，都可以访问外部变量，也可以用本地变量覆盖掉外部变量。
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你可能会问：“其他语言也有块作用域吗？特征是一样的吗？”其实，各个语言在这方面的设计机制是不同的。比如，下面这段用Java写的代码里，我们用了一个if语句块，并且在if部分、else部分和外部分别声明了一个变量c：
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```
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/**
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* Scope.java
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* 测试Java的作用域
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*/
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public class ScopeTest{
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public static void main(String args[]){
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int a = 1;
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int b = 2;
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if (a > 0){
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//int b = 3; //不允许声明与外部变量同名的变量
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int c = 3;
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}
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else{
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int c = 4; //允许声明另一个c，各有各的作用域
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}
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int c = 5; //这里也可以声明一个新的c
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}
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}
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```
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你能看到，Java的块作用域跟C语言的块作用域是不同的，它不允许块作用域里的变量覆盖外部变量。那么和C、Java写起来很像的JavaScript呢？来看一看下面这段测试JavaScript作用域的代码：
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```
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/**
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* Scope.js
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* 测试JavaScript的作用域
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*/
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var a = 5;
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var b = 5;
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console.log("1: a=%d b=%d", a, b);
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if (a > 0) {
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a = 4;
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console.log("2: a=%d b=%d", a, b);
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var b = 3; //看似声明了一个新变量，其实还是引用的外部变量
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console.log("3: a=%d b=%d", a, b);
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}
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else {
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var b = 4;
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console.log("4: a=%d b=%d", a, b);
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}
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console.log("5: a=%d b=%d", a, b);
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for (var b = 0; b< 2; b++){ //这里是否能声明一个新变量，用于for循环？
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console.log("6-%d: a=%d b=%d",b, a, b);
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}
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console.log("7: a=%d b=%d", a, b);
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```
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这段代码编译后运行，结果是：
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```
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1: a=5 b=5
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2: a=4 b=5
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3: a=4 b=3
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5: a=4 b=3
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6-0: a=4 b=0
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6-1: a=4 b=1
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7: a=4 b=2
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```
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你可以看到，JavaScript是没有块作用域的。我们在块里和for语句试图重新定义变量b，语法上是允许的，但我们每次用到的其实是同一个变量。
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对比了三种语言的作用域特征之后，你是否发现原来看上去差不多的语法，内部机理却不同？这种不同其实是语义差别的一个例子。**你要注意的是，现在我们讲的很多内容都已经属于语义的范畴了，对作用域的分析就是语义分析的任务之一。**
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## 生存期（Extent）
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了解了什么是作用域之后，我们再理解一下跟它紧密相关的生存期。它是变量可以访问的时间段，也就是从分配内存给它，到收回它的内存之间的时间。
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在前面几个示例程序中，变量的生存期跟作用域是一致的。出了作用域，生存期也就结束了，变量所占用的内存也就被释放了。这是本地变量的标准特征，这些本地变量是用栈来管理的。
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但也有一些情况，变量的生存期跟语法上的作用域不一致，比如在堆中申请的内存，退出作用域以后仍然会存在。
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下面这段C语言的示例代码中，fun函数返回了一个整数的指针。出了函数以后，本地变量b就消失了，这个指针所占用的内存（&b）就收回了，其中&b是取b的地址，这个地址是指向栈里的一小块空间，因为b是栈里申请的。在这个栈里的小空间里保存了一个地址，指向在堆里申请的内存。这块内存，也就是用来实际保存数值2的空间，并没有被收回，我们必须手动使用free()函数来收回。
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```
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/*
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extent.c
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测试生存期。
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*/
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#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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int * fun(){
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int * b = (int*)malloc(1*sizeof(int)); //在堆中申请内存
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*b = 2; //给该地址赋值2
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return b;
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}
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int main(int argc, char **argv){
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int * p = fun();
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*p = 3;
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printf("after called fun: b=%lu *b=%d \n", (unsigned long)p, *p);
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free(p);
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}
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```
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类似的情况在Java里也有。Java的对象实例缺省情况下是在堆中生成的。下面的示例代码中，从一个方法中返回了对象的引用，我们可以基于这个引用继续修改对象的内容，这证明这个对象的内存并没有被释放：
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```
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/**
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* Extent2.java
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* 测试Java的生存期特性
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*/
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public class Extent2{
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StringBuffer myMethod(){
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StringBuffer b = new StringBuffer(); //在堆中生成对象实例
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b.append("Hello ");
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System.out.println(System.identityHashCode(b)); //打印内存地址
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return b; //返回对象引用，本质是一个内存地址
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}
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public static void main(String args[]){
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Extent2 extent2 = new Extent2();
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StringBuffer c = extent2.myMethod(); //获得对象引用
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System.out.println(c);
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c.append("World!"); //修改内存中的内容
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System.out.println(c);
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//跟在myMethod()中打印的值相同
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System.out.println(System.identityHashCode(c));
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}
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}
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```
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因为Java对象所采用的内存超出了申请内存时所在的作用域，所以也就没有办法自动收回。所以Java采用的是自动内存管理机制，也就是垃圾回收技术。
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那么为什么说作用域和生存期是计算机语言更加基础的概念呢？其实是因为它们对应到了运行时的内存管理的基本机制。虽然各门语言设计上的特性是不同的，但在运行期的机制都很相似，比如都会用到栈和堆来做内存管理。
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好了，理解了作用域和生存期的原理之后，我们就来实现一下，先来设计一下作用域机制，然后再模拟实现一个栈。
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## 实现作用域和栈
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在之前的PlayScript脚本的实现中，处理变量赋值的时候，我们简单地把变量存在一个哈希表里，用变量名去引用，就像下面这样：
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```
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public class SimpleScript {
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private HashMap<String, Integer> variables = new HashMap<String, Integer>();
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...
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}
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```
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但如果变量存在多个作用域，这样做就不行了。这时，我们就要设计一个数据结构，区分不同变量的作用域。分析前面的代码，你可以看到作用域是一个树状的结构，比如Scope.c的作用域：
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面向对象的语言不太相同，它不是一棵树，是一片树林，每个类对应一棵树，所以它也没有全局变量。在我们的playscript语言中，我们设计了下面的对象结构来表示Scope：
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```
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//编译过程中产生的变量、函数、类、块，都被称作符号
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public abstract class Symbol {
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//符号的名称
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protected String name = null;
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//所属作用域
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protected Scope enclosingScope = null;
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//可见性，比如public还是private
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protected int visibility = 0;
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//Symbol关联的AST节点
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protected ParserRuleContext ctx = null;
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}
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//作用域
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public abstract class Scope extends Symbol{
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// 该Scope中的成员，包括变量、方法、类等。
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protected List<Symbol> symbols = new LinkedList<Symbol>();
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}
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//块作用域
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public class BlockScope extends Scope{
|
||
...
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}
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//函数作用域
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public class Function extends Scope implements FunctionType{
|
||
...
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||
}
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//类作用域
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public class Class extends Scope implements Type{
|
||
...
|
||
}
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```
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目前我们划分了三种作用域，分别是块作用域（Block）、函数作用域（Function）和类作用域（Class）。
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我们在解释执行playscript的AST的时候，需要建立起作用域的树结构，对作用域的分析过程是语义分析的一部分。也就是说，并不是有了AST，我们马上就可以运行它，在运行之前，我们还要做语义分析，比如对作用域做分析，让每个变量都能做正确的引用，这样才能正确地执行这个程序。
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解决了作用域的问题以后，再来看看如何解决生存期的问题。还是看Scope.c的代码，随着代码的执行，各个变量的生存期表现如下：
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* 进入程序，全局变量逐一生效；
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* 进入main函数，main函数里的变量顺序生效；
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* 进入fun函数，fun函数里的变量顺序生效；
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* 退出fun函数，fun函数里的变量失效；
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* 进入if语句块，if语句块里的变量顺序生效；
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* 退出if语句块，if语句块里的变量失效；
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* 退出main函数，main函数里的变量失效；
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* 退出程序，全局变量失效。
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通过下面这张图，你能直观地看到运行过程中栈的变化：
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代码执行时进入和退出一个个作用域的过程，可以用栈来实现。每进入一个作用域，就往栈里压入一个数据结构，这个数据结构叫做**栈桢（Stack Frame）**。栈桢能够保存当前作用域的所有本地变量的值，当退出这个作用域的时候，这个栈桢就被弹出，里面的变量也就失效了。
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你可以看到，栈的机制能够有效地使用内存，变量超出作用域的时候，就没有用了，就可以从内存中丢弃。我在ASTEvaluator.java中，用下面的数据结构来表示栈和栈桢，其中的PlayObject通过一个HashMap来保存各个变量的值：
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```
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private Stack<StackFrame> stack = new Stack<StackFrame>();
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public class StackFrame {
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//该frame所对应的scope
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Scope scope = null;
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//enclosingScope所对应的frame
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StackFrame parentFrame = null;
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//实际存放变量的地方
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PlayObject object = null;
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}
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public class PlayObject {
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//成员变量
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protected Map<Variable, Object> fields = new HashMap<Variable, Object>();
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}
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```
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目前，我们只是在概念上模仿栈桢，当我们用Java语言实现的时候，PlayObject对象是存放在堆里的，Java的所有对象都是存放在堆里的，只有基础数据类型，比如int和对象引用是放在栈里的。虽然只是模仿，这不妨碍我们建立栈桢的概念，在后端技术部分，我们会实现真正意义上的栈桢。
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要注意的是，栈的结构和Scope的树状结构是不一致的。也就是说，栈里的上一级栈桢，不一定是Scope的父节点。要访问上一级Scope中的变量数据，要顺着栈桢的parentFrame去找。我在上图中展现了这种情况，在调用fun函数的时候，栈里一共有三个栈桢：全局栈桢、main()函数栈桢和fun()函数栈桢，其中main()函数栈桢的parentFrame和fun()函数栈桢的parentFrame都是全局栈桢。
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## 实现块作用域
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目前，我们已经做好了作用域和栈，在这之后，就能实现很多功能了，比如让if语句和for循环语句使用块作用域和本地变量。以for语句为例，visit方法里首先为它生成一个栈桢，并加入到栈中，运行完毕之后，再从栈里弹出：
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```
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BlockScope scope = (BlockScope) cr.node2Scope.get(ctx); //获得Scope
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StackFrame frame = new StackFrame(scope); //创建一个栈桢
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pushStack(frame); //加入栈中
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...
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//运行完毕，弹出栈
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stack.pop();
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```
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当我们在代码中需要获取某个变量的值的时候，首先在当前桢中寻找。找不到的话，就到上一级作用域对应的桢中去找：
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```
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StackFrame f = stack.peek(); //获取栈顶的桢
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PlayObject valueContainer = null;
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while (f != null) {
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//看变量是否属于当前栈桢里
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if (f.scope.containsSymbol(variable)){
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valueContainer = f.object;
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break;
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}
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//从上一级scope对应的栈桢里去找
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f = f.parentFrame;
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||
}
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```
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运行下面的测试代码，你会看到在执行完for循环以后，我们仍然可以声明另一个变量i，跟for循环中的i互不影响，这证明它们确实属于不同的作用域：
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```
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String script = "int age = 44; for(int i = 0;i<10;i++) { age = age + 2;} int i = 8;";
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```
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进一步的，我们可以实现对函数的支持。
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## 实现函数功能
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先来看一下与函数有关的语法：
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```
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//函数声明
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functionDeclaration
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: typeTypeOrVoid? IDENTIFIER formalParameters ('[' ']')*
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functionBody
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;
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//函数体
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functionBody
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: block
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| ';'
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;
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//类型或void
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typeTypeOrVoid
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: typeType
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| VOID
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;
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//函数所有参数
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formalParameters
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: '(' formalParameterList? ')'
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||
;
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//参数列表
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formalParameterList
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: formalParameter (',' formalParameter)* (',' lastFormalParameter)?
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| lastFormalParameter
|
||
;
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//单个参数
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formalParameter
|
||
: variableModifier* typeType variableDeclaratorId
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||
;
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||
//可变参数数量情况下，最后一个参数
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lastFormalParameter
|
||
: variableModifier* typeType '...' variableDeclaratorId
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||
;
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//函数调用
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functionCall
|
||
: IDENTIFIER '(' expressionList? ')'
|
||
| THIS '(' expressionList? ')'
|
||
| SUPER '(' expressionList? ')'
|
||
;
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```
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在函数里，我们还要考虑一个额外的因素：**参数。**在函数内部，参数变量跟普通的本地变量在使用时没什么不同，在运行期，它们也像本地变量一样，保存在栈桢里。
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我们设计一个对象来代表函数的定义，它包括参数列表和返回值的类型：
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```
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public class Function extends Scope implements FunctionType{
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||
// 参数
|
||
protected List<Variable> parameters = new LinkedList<Variable>();
|
||
|
||
//返回值
|
||
protected Type returnType = null;
|
||
|
||
...
|
||
}
|
||
|
||
```
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||
在调用函数时，我们实际上做了三步工作：
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* 建立一个栈桢；
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* 计算所有参数的值，并放入栈桢；
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||
* 执行函数声明中的函数体。
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我把相关代码放在了下面，你可以看一下：
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```
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//函数声明的AST节点
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FunctionDeclarationContext functionCode = (FunctionDeclarationContext) function.ctx;
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//创建栈桢
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functionObject = new FunctionObject(function);
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StackFrame functionFrame = new StackFrame(functionObject);
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||
// 计算实参的值
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List<Object> paramValues = new LinkedList<Object>();
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if (ctx.expressionList() != null) {
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for (ExpressionContext exp : ctx.expressionList().expression()) {
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Object value = visitExpression(exp);
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if (value instanceof LValue) {
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value = ((LValue) value).getValue();
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}
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||
paramValues.add(value);
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}
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}
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//根据形参的名称，在栈桢中添加变量
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if (functionCode.formalParameters().formalParameterList() != null) {
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for (int i = 0; i < functionCode.formalParameters().formalParameterList().formalParameter().size(); i++) {
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FormalParameterContext param = functionCode.formalParameters().formalParameterList().formalParameter(i);
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||
LValue lValue = (LValue) visitVariableDeclaratorId(param.variableDeclaratorId());
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||
lValue.setValue(paramValues.get(i));
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||
}
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||
}
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||
// 调用方法体
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rtn = visitFunctionDeclaration(functionCode);
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// 运行完毕，弹出栈
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||
stack.pop();
|
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```
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你可以用playscript测试一下函数执行的效果，看看参数传递和作用域的效果：
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```
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String script = "int b= 10; int myfunc(int a) {return a+b+3;} myfunc(2);";
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```
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## 课程小结
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本节课，我带你实现了块作用域和函数，还跟你一起探究了计算机语言的两个底层概念：作用域和生存期。你要知道：
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* 对作用域的分析是语义分析的一项工作。Antlr能够完成很多词法分析和语法分析的工作，但语义分析工作需要我们自己做。
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* 变量的生存期涉及运行期的内存管理，也引出了栈桢和堆的概念，我会在编译器后端技术时进一步阐述。
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我建议你在学习新语言的时候，先了解它在作用域和生存期上的特点，然后像示例程序那样做几个例子，借此你会更快理解语言的设计思想。比如，为什么需要命名空间这个特性？全局变量可能带来什么问题？类的静态成员与普通成员有什么区别？等等。
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下一讲，我们会尝试实现面向对象特性，看看面向对象语言在语义上是怎么设计的，以及在运行期有什么特点。
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## 一课一思
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既然我强调了作用域和生存期的重要性，那么在你熟悉的语言中，有哪些特性是能用作用域和生存期的概念做更基础的解读呢？比如，面向对象的语言中，对象成员的作用域和生存期是怎样的？欢迎在留言区与大家一起交流。
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最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。
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今天讲的功能照样能在playscript-java项目中找到示例代码，其中还有用playscript写的脚本，你可以多玩一玩。
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* playscript-java（项目目录）： [码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/tree/master/playscript-java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/tree/master/playscript-java)
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* PlayScript.java（入口程序）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.java)
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* PlayScript.g4（语法规则）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.g4) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.g4)
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* ASTEvaluator.java（解释器）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/ASTEvaluator.java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/ASTEvaluator.java)
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* BlockScope.play（演示块作用域）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/examples/BlockScope.play) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/examples/BlockScope.play)
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* function.play（演示基础函数功能）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/examples/function.play) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/examples/function.play)
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* lab/scope目录（各种语言的作用域测试）：[码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/tree/master/lab/scope) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/tree/master/lab/scope)
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