java脚本引擎的设计原理浅析

本人在阿里巴巴长期担任和负责规则引擎、流程引擎相关的技术开发，另外还负责开发和维护开源项目：
https://github.com/alibaba/QLExpress

QLExpress是一个脚本引擎工具，类似Groovy，JRuby等，是为了解决当时电商规则动态编译、表达式高精度计算、复杂布尔运算、自定义函数和操作符号、语法树生成等需求而设计的。QLExpress项目开源自2012年，截至目前已经迭代了60多个版本，（在阿里的专有开源社区 index - Taocode ）后在社区和集团内部却意外获得非常好的反响。

然而，我要很不客气的讲，在众多优秀的脚本引擎工具list中，QLExpress还很不完美。本篇结合自己的工作和技术研究，列举其中一些比较有意思的。

一、分类标准

1、编译型 vs 解析性

如果能够产生一个独立的class文件则属于前者，例如：fel，simpleEl，groovy
否则通过编译成自定义的内存指令就属于后者，例如：QLExpress，aviator，JEXL

2、java语法 vs 表达式语言(EL expression language) vs 脚本(script)

如果语法和java保持一致，不做任何扩展，就是属于第一种：
如果语法大量简化（比如去掉显示类、方法、变量声明，异常处理，逻辑跳转循环等等），只支持简单的数学公式、对象方法成员变量调用，就属于第二种：fel，simpleEl，aviator
介于两者之间，即提供很好的语法糖，又支持大部分java语法：for循环，if判断，函数定义，就属于第三种：groovy，QLExpress

3、静态类型 vs 动态类型 vs 强类型 vs 弱类型

区别看这里：弱类型、强类型、动态类型、静态类型语言的区别是什么？
假设两个都很成熟的脚本引擎，强类型可以比弱类型提高一个数量级的运算效率，但是带来业务的灵活性也就差很多。比如fel、simpleEl比Groovy、QLExpress效率肯定要高一个量级，因此，Groovy也提供了静态类型的模式牺牲部分灵活性来提高性能。

二、设计思路

思路一：通过文本替换成java源码文件。

编译时，使用 jdk工具（ javax.tools.JavaCompiler ）或者 eclipse工具动态编译成class文件
运行时，取出class文件放入jvm直接运行

思路二：通过 antlr 等 语法解析器 把文本流解析成抽象语法树（AST）。

编译时，把AST的节点重新编排成class文件或者指令集。
运行时，把其中的操作符映射成自定义的执行器。

三、看一些案例

1、simpleEL

作者：温绍锦(高铁@alibaba) https://github.com/alibaba/simpleel
demo代码：

DefaultExpressEvalService service = new DefaultExpressEvalService();
service.regsiterVariant(Integer.class,”a”,"b");//注册数据类型
service.setAllowMultiStatement(true); //设置支持多行语句
Map ctx = new HashMap();
ctx.put("a", 2);
ctx.put("b", 1);
String dsl = "if (@a > @b) { return @a - @b; } else {return @b - @a; }";
Object result = service.eval(ctx, dsl);
//return 1

内部原理剖析：

if (@a > @b) 
{
  return @a - @b; 
} else 
{
  return @b - @a;
}

通过@标识变量，直接转化为一下的java源码，然后再转化为class文件
生成的class文件反编译后的源码：

再比如：

DefaultExpressEvalService service = new DefaultExpressEvalService();
service.regsiterVariant(MyBean.class,"bean");
Map ctx = new HashMap();
ctx.put("bean", new com.taobao.el.MyBean());
String dsl = "@bean.getId() + ':' + @bean.getName()"
Object result = service.eval(ctx, dsl);

生成的class文件反编译后的源码：

特点:
简单如其名，最最simple的EL，源码实现也极其简单。
依赖变量标识和强类型注册，不借助任何语法解析工具，就实现了非常高效简单的EL计算。
因为太简单，所以后续功能开发停滞了，2014-9-17后停止更新。

2、fel

作者：未知 https://code.google.com/archive/p/fast-el/
demo代码

FelEngine fel = new FelEngineImpl();
FelContext ctx = fel.getContext();
ctx.set("首重价格", 10.5); ctx.set("续重价格", 2.5);
ctx.set(“首重",5); ctx.set("总重量", 15);
String dsl = "首重价格*首重+续重价格*(总重量-首重)";
Expression exp = fel.compile(dsl, ctx);//必须变量全部注入后，才能编译通过
Object result =  exp.eval(ctx);
System.out.println(result);