203 lines
16 KiB
Markdown
203 lines
16 KiB
Markdown
# 30｜面向对象编程第2步：剖析一些技术细节
|
||
|
||
你好，我是宫文学。
|
||
|
||
在上一节课里，我们实现了基本的面向对象特性，包括声明类、创建对象、访问对象的属性和方法等等。
|
||
|
||
本来，我想马上进入对象的继承和多态的环节。但在准备示例程序的过程中，我发现有一些技术细节还是值得单独拿出来，和你剖析一下的，以免你在看代码的时候可能会抓不住关键点，不好消化。俗话说，魔鬼都在细节中。搞技术的时候，经常一个小细节就会成为拦路虎。
|
||
|
||
我想给你剖析的技术细节呢，主要是**语义分析**和**AST解释器**方面的。通过研究这些技术细节，你会对面向对象的底层实现技术有更加细致的了解。
|
||
|
||
## 技术细节：语义分析
|
||
|
||
语义分析方面的技术细节包括：如何设计和保存class的符号、如何设计class对应的类型、如何给This表达式做引用消解、如何消解点符号表达式中变量等等。
|
||
|
||
**首先看看第一个问题，就是如何在符号表里保存class的符号**。
|
||
|
||
我们知道，符号表里存储的是我们自己在程序里声明出来的那些符号。在上一节课之前，我们在符号表里主要保存了两类数据：变量和函数。而class也是我们用程序声明出来的，所以也可以被纳入到符号表里保存。
|
||
|
||
你应该还记得，我们的符号表采用的是一种层次化的数据结构，也就是Scope的层层嵌套。而且，TypeScript只允许在顶层的作用域中声明class，不允许在class内部或函数内部嵌套声明class，所以class的符号总是被保存在顶层的Scope中。
|
||
|
||
其实在TypeScript中，我们还可以在一个文件（或模块）里引用另一个文件里定义的类，这样你就能在当前文件里使用这些外部的类了。但我们其实并不是把外部类的全部代码都导入进来，而是只需要引入它们的符号就行了。在class符号里有这些类的描述信息，这些信息叫做元数据。元数据里会包括它都有哪些属性、哪些方法，分别都是什么类型的，等等。这些保存在符号里的这些信息，其实足够我们使用这个类了，我们不用去管这个类的实现细节。
|
||
|
||
你也可以对比一下FunctionSymbol的设计。FunctionSymbol里会记录函数的名称、参数个数、参数类型和返回值类型。你通过这些信息就可以调用一个函数，完全不用管这个函数的实现细节，也不用区分它是内置函数，还是你自己写的函数，调用方式都是一样的。
|
||
|
||
**说完了class的符号设计和保存，我们再进入第二个技术点，讨论一下class的类型问题**。
|
||
|
||
我们说过，class给我们提供了一个自定义类型的能力。那这个自定义的类型如何表达呢？
|
||
|
||
在前面的课程中，我们已经形成了自己的一套类型体系，用于进行类型计算。而在这个类型体系中，有一种类型叫做NamedType。这些类型都有名称，并且还有父类型。我们用NamedType首先表示了Number、String、Boolean这些TypeScript官方规定的类型，还用它来表示了Integer和Decimal这两个Number类型的子类型，这两个类型是我们自己设计的。
|
||
|
||
那其实NamedType就可以用来表示一个class的类型信息，以便参与类型计算。
|
||
|
||
这里你可能会提出一个问题：class本身不就是类型吗？我们在ClassSymbol里已经保存了类的各种描述信息，为什么还要用到NamedType呢？
|
||
|
||
采用这样的设计有几个原因。首先，并不是所有的类型都是用class定义出来的。比如系统里有一些内置的类型。再比如，如果你用TypeScript调用其他语言编写的库，比如一些AI库，你可以把其他语言的类型映射成TypeScript语言的类型。所以说，类型的来源并不只有自定义的class。
|
||
|
||
第二个原因是由类型计算的性质导致的。在我们目前的类型计算中，我们基本只用到了类型的名称和父子类型关系这两个信息，其他信息都没有用到，所以就不需要在类型体系中涉及。
|
||
|
||
不过，使用NamedType这种设计其实有个潜台词，就是我们类型系统是Norminal的类型系统。这是什么意思呢？Norminal的意思是说，我们在做类型比较的时候，仅仅是通过类型的名称来确定两个类型是否相同，或者是否存在父子关系。与之对应的另一种类型系统是structural的，也就是只要两个类型拥有的方法是一致的，那就认为它们是相同的类型。像Java、C++这些语言，采用的是Nominal的类型系统，而TypeScript和Go等语言，采用的是Structural的类型系统。这个话题我们就不展开了，有兴趣你可以多查阅这方面的资料。
|
||
|
||
不过，为了简单，我们目前的实现暂且采用Norminal的类型，只通过名称来区分相互之间的关系。
|
||
|
||
**在分析完了class的符号和类型之后，我们再来看看它的用途。这就进入了第三个技术点，也就是如何消解This表达式。**
|
||
|
||
我们知道，this表达式的使用场景，是在类的方法中指代当前对象的数据。那么它的类型是什么呢？在做引用消解的时候，应该让它引用哪个符号呢？
|
||
|
||
this的类型，不用说，肯定就是指当前的这个class对应的类型，这个不会有疑问。
|
||
|
||
那它应该被关联到什么符号上呢？我们知道，当程序中出现某个变量名称或函数名称的时候，我们会把这些AST节点关联到符号表里的VarSymbol和FunctionSymbol上，this当然也不会例外。this在被用于程序中的时候，其用法跟普通的一个对象类型的变量是没有区别的。那我们是否应该在每个用到this的方法里，创建一个this变量呢？
|
||
|
||
这样当然可以，但其实也没有必要。因为每个函数都可能用到this关键字，所以如果在每个方法里都创建一个this变量有点啰嗦。我们只需要简单地把this变量跟ClassSymbol关联起来就行了，在使用的时候也没有什么不方便的。我们下面在讲AST解释器的实现机制里，会进一步看看如何通过this来访问对象数据。
|
||
|
||
**接下来，我们再看看第四个技术点：对点符号表达式的引用消解。**
|
||
|
||
在上一节课的示例程序中，我们可以通过“this.weight”、“mammal.color”、“mammal.speak()”这样的点符号表达式访问对象的属性和方法。
|
||
|
||
我们知道，在做引用消解的时候，需要把这里面的this、mammal、color、speak()都关联到相应的符号上，这样我们就知道这些标识符都是在哪里声明的了。
|
||
|
||
不过，之前我们不是已经都做过引用消解了吗？为什么这里又要把点符号的引用消解单独拎出来分析呢？
|
||
|
||
这是因为，之前我们做变量和函数的引用消解的时候，只需要利用变量和函数的名称信息就行了。但在点符号这边，只依赖名称是不行的，还必须依赖类型信息。
|
||
|
||
比如，对于mammal.color这个表达式。我们在上下文里，很容易找到mammal是在哪里声明的。但color就不一样了。这个color是在哪里声明的呢？这个时候，你就必须知道mammal的类型，然后再找到mammal的定义。这样，你才能知道mammal是否有一个叫做color的属性。
|
||
|
||
那你可能说，这很简单呀，我们只需要先计算出每个表达式的类型，然后再做引用消解就可以了呀。
|
||
|
||
没那么简单。为什么呢？因为类型计算的时候，也需要用到引用消解的结果。比如在mammal.color中，如果你不知道mammal是在哪里声明的，就不能知道它的类型，那也就更没有办法去消解color属性了。
|
||
|
||
所以，在语义分析中，我们需要把类型计算和引用消解交叉着进行才行，不能分成单独的两个阶段。在[《编译原理实战课》](https://time.geekbang.org/column/intro/100052801)中，我曾经分析过Java的前端编译器的特点。这种多个分析工作穿插执行的情况，是Java编译器代码中最难以阅读和跟踪的部分，但你要知道这背后的原因。
|
||
|
||
我还给你提供了一个更复杂一点的例子，你可以先看一下：
|
||
|
||
```plain
|
||
class Human{
|
||
swim(){
|
||
console.log("swim");
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
class Bird{
|
||
fly(){
|
||
console.log("fly");
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
function foo(animal:Human|Bird){
|
||
if (animal instanceof Human){
|
||
animal.swim();
|
||
}
|
||
else{
|
||
animal.fly();
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
这个例子里有Human和Bird两个类，Human有swim()方法，而Bird有fly()方法。不过，我们可以声明一个变量animal，是Human和Bird的联合类型。那么，你什么时候可以调用animal的swim()方法，什么时候可以调用它的fly()方法呢？这个时候你就要基于数据流分析方法，先进行类型的窄化，然后才能把swim()和fly()两个方法正确地消解。
|
||
|
||
好了，关于语义分析部分的一些技术点，我就先剖析到这里。接着我们看看AST解释器中的一些技术。
|
||
|
||
## 技术细节：Ast解释器
|
||
|
||
实现Ast解释器的时候，我们也涉及了不少的技术细节，包括如何表示对象数据、对象数据在栈桢中的存储方式、如何以左值和右值的方式访问对象的属性等。
|
||
|
||
**首先我们看看如何表示对象的数据。**上一节课里，我们提到用一个Map<Symbol, any>来存储对象数据就行了。我们在类中声明的每一个属性，都对应着一个Symbol，所以我们就可以用Symbol作为key，来访问对象的数据。
|
||
|
||
其实，我们的栈桢也是这样设计的。每个栈桢也是一个Map<Symbol, any>。你如果想访问哪个变量的数据，就把变量的Symbol作为key，到Map里去查找就好了。
|
||
|
||
不过，如果只用一个Map来代表对象数据，数据的接收方可能不知道该数据是属于哪个类的，在实现一些功能的时候不方便。所以我们就专门设计了一个PlayObject对象，在对象里包含了ClassSymbol和对象数据两方面的信息，具体实现如下：
|
||
|
||
```plain
|
||
class PlayObject{
|
||
classSym:ClassSymbol;
|
||
data:Map<Symbol,any> = new Map();
|
||
constructor(classSym:ClassSymbol){
|
||
this.classSym = classSym;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
**那对象数据在栈桢里是如何保存的呢？**
|
||
|
||
其实，每个方法都跟函数一样，会对应着一个栈桢。在方法里，如果我们用到了this关键字，那就可能会访问对象的属性或方法。
|
||
|
||
那我们就一定要在栈桢里放一个PlayObject对象。这个对象的key，就是ClassSymbol。正好，我们在前面让this表达式关联到了ClassSymbol上。所以，我们使用this表达式就可以访问对象中的属性了。你看看下面的图，里面显示了栈桢和对象数据之间的关系，以及如何访问对象的属性。
|
||
|
||
|
||
|
||
那栈桢里的PlayObject对象是在什么时候被放到栈桢里的呢？其实是在调用构造方法和普通方法的时候。
|
||
|
||
在调用构造方法之前，我们首先要创建一个PlayObject对象，把它放到构造方法使用的栈桢里。在构造方法里，这样就可以用this来访问对象属性，并给这些属性赋予初始值了。另外，构造方法是没有返回值的。在调用构造方法之后，我们就把这个新创建的PlayObject当做返回值就好了。
|
||
|
||
在调用普通的对象方法的时候，比如用mammal.speak()对mammal求值的话，会返回一个PlayObject对象。然后我们把这个对象放在speak()方法的栈桢里就行了。
|
||
|
||
把PlayObject放在栈桢里，其实就相当于把PlayObject作为函数的第一个参数传到函数内部。总之，这样就能够在speak方法里使用this表达式了。
|
||
|
||
**最后，我们再看一下点符号表达式的左值和右值的使用场景**。在下面的示例程序中，第一句是给mammal.color赋值，所以我们需要一个左值。而第二句是获取mammal.color当前的值，所以是一个右值。
|
||
|
||
```plain
|
||
mammal.color="yellow"; //左值
|
||
println(mammal.color); //右值
|
||
|
||
```
|
||
|
||
对于这两种场景，点符号表达式要分别返回左值和右值。在需要右值的时候，mammal.color返回的是一个字符串。而在需要左值的时候，我们应该返回什么呢？
|
||
|
||
之前在处理本地变量的时候，我们已经学过，在需要左值的时候，直接返回变量的Symbol就好了。这样后续的赋值程序就可以把这个Symbol作为Key来修改栈桢中变量的值。
|
||
|
||
在[28讲](https://time.geekbang.org/column/article/427480)中，在实现数组特性的时候，有时候我们需要修改某个数组元素的值。这个时候，我们就不能简单地用数组变量的Symbol来表达一个左值了，因为我们还需要知道数组元素的下标。所以那个时候，我们专门设计了另一个左值对象，叫做ArrayElementRef。它里面甚至可以存放多个下标值，来引用多维数组中的某个元素。
|
||
|
||
```plain
|
||
class ArrayElementRef{
|
||
varSym : VarSymbol; //数组的基础变量对应的Symbol
|
||
indices : number[]; //(多维)数组元素的下标。
|
||
constructor(varSym:VarSymbol, indices:number[]){
|
||
this.varSym = varSym;
|
||
this.indices = indices;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
用于访问对象属性的左值，其实也可以采用类似的设计。这个类的名字叫做ObjectPropertyRef，意思是这是对一个对象的属性的引用，里面有PlayObject对象，还有被访问的属性的Symbol。基于这样一个左值，我们就可以修改对象的属性了。
|
||
|
||
```plain
|
||
class ObjectPropertyRef{
|
||
object: PlayObject;
|
||
prop:Symbol;
|
||
constructor(object:PlayObject, prop:Symbol){
|
||
this.object = object;
|
||
this.prop = prop;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
```
|
||
|
||
## 课程小结
|
||
|
||
今天的内容就是这些。通过这节课分享的一些技术实现细节，我希望你能记住几个关键点。
|
||
|
||
首先，在语义分析方面，我们需要对class建立符号，并存到符号表里。class的符号应该包含足够的描述信息，包括名称，以及属性和方法的描述。为了进行类型计算，我们还要把class符号关联到一个NamedType对象中。这种类型计算方式的设计思路，是基于Nominal的类型系统而来的。
|
||
|
||
在支持点符号表达式以后，我们的引用消解和类型计算需要交错起来进行，这会导致语义分析程序变得复杂。你在查看各种编译器的源代码的时候，也可以多关注它们在这方面是如何实现的。
|
||
|
||
第二，在AST解释器的实现机制上，你的脑海里需要对栈桢有一个清晰的图像。在对象方法的栈桢里，我们一定会放一个PlayObject对象数据，这样就可以用this来访问对象的属性了。在访问对象属性时，又要分为左值和右值的情况。对于左值，我们要设计一种数据结构，清晰地表达出如何访问对象的属性。
|
||
|
||
最后，关于课程代码的学习，我还要再叮嘱你几句。
|
||
|
||
在课程起步篇的后半段和我们现在的进阶篇里，课程的示例代码的体量明显加大。并且，由于每节课示例代码都在迭代，你在阅读代码的时候可能会感觉到有一定的负担。
|
||
|
||
这里我想强调的是，编译器针对词法分析和语法分析这样功能的代码，往往大家的实现都差不多。因为这两部分的理论化是最强的，基本上你理解了理论就能写出差不多的代码来了。
|
||
|
||
而语义分析、编译器的后端等的代码，工程特点就比较强了，各个编译器的实现差异很大。你需要把握其中的关键技术点，就比如今天我们这节课分析的这些点。这样在具体实现上，你可以不用拘泥于哪种具体的方式。就比如，在这节课中，关于如何消解this，以及如何把对象数据提供给方法，并通过this访问，其实可以有多种技术方案。你可以活学活用，只要把握住其中的关键点就可以了。
|
||
|
||
## 思考题
|
||
|
||
今天我们讲到了class的符号中包含的信息。那你能不能思考一下，这些符号是否需要在虚拟机或者可执行程序中保存？保存这些信息有什么用途？你能不能结合你熟悉的语言来分享一下？
|
||
|
||
另外，今天我们提到的Norminal和Structural的类型系统，你在使用它们的时候有什么体会？如果我们想要实现Sturctural的类型系统，那应该如何设计？欢迎你在留言区分享观点。
|
||
|
||
欢迎把这节课分享给更多感兴趣的朋友。我是宫文学，我们下节课见。
|
||
|