手拉手教你实现一门编程语言 Enkel, 系列 7

本文系 Creating JVM language 翻译的第 7 篇。
原文中的代码和原文有不一致的地方均在新的代码仓库中更正过，建议参考新的代码仓库。

源码

Github

1. 方法

到目前为止，我们可以在 Enkel 中声明类和变量，但是他们都处于同一个全局作用域中。下一步，我们需要支持方法。

我们的目标是可以处理如下代码：

First {
    void main (string[] args) {
        var x = 25
        metoda(x)
    }

    void metoda (int param) {
        print param
    }
}

2. 作用域

为了可以访问其他的函数或者变量，他们需要在同一个作用域下：

public class Scope {
    private List identifiers; //think of it as a variables for now
    private List functionSignatures;
    private final MetaData metaData;  //currently stores only class name

    public Scope(MetaData metaData) {
        identifiers = new ArrayList<>();
        functionSignatures = new ArrayList<>();
        this.metaData = metaData;
    }

    public Scope(Scope scope) {
        metaData = scope.metaData;
        identifiers = Lists.newArrayList(scope.identifiers);
        functionSignatures = Lists.newArrayList(scope.functionSignatures);
    }
    
    //some other methods that expose data to the outside
}

对象 scope 是在类创建的时候被创建的，然后传递给下一层级(方法）。下一层级拷贝并且添加其他的选项。

3. 签名

函数调用的时候，需要提供函数的一些额外信息。假设有如下的伪代码：

f1() {
    f2()
}

f2(){
}

解析后如下图所示：

image

节点的访问顺序如下：

Root
函数 f1
对函数 f2 的调用//错误，此时 f2 还没有定义
函数 f2

因此，当函数调用发生时，函数的定义可能没有访问到，f1 解析的时候并没有 f2 的信息。
为了解决这个问题，我们必须访问所有函数的定义并且把函数的签名存储到作用域中。

public class ClassVisitor extends EnkelBaseVisitor {

 private Scope scope;

 @Override
 public ClassDeclaration visitClassDeclaration(@NotNull EnkelParser.ClassDeclarationContext ctx) {
     String name = ctx.className().getText();
     FunctionSignatureVisitor functionSignatureVisitor = new FunctionSignatureVisitor();
     List methodsCtx = ctx.classBody().function();
     MetaData metaData = new MetaData(ctx.className().getText());
     scope = new Scope(metaData);
     //First find all signatures
     List signatures = methodsCtx.stream()
             .map(method -> method.functionDeclaration().accept(functionSignatureVisitor))
             .peek(scope::addSignature)
             .collect(Collectors.toList());
     //Once the signatures are found start parsing methods
     List methods = methodsCtx.stream()
             .map(method -> method.accept(new FunctionVisitor(scope)))
             .collect(Collectors.toList());
     return new ClassDeclaration(name, methods);
 }
}

4. Invokestatic

当所有相关的信息都被正确解析后，接下来需要生成字节码了。当前 Enkele 还没有实现对象的创建，因此方法的调用先使用 static 的方式来调用。

int access = Opcodes.ACC_PUBLIC + Opcodes.ACC_STATIC;

静态方法的调用对应的字节码指令是 invokestatic，需要两个参数：

Filed Descriptor - 方法持有类的描述 (Ljava/io/PrintStream;)
Method Descriptor - 例如：println:(I)V

操作数栈中的会执行出栈操作，并传递给方法调用（类型和个数必须和方法描述一致）。

public class MethodGenerator {
    private final ClassWriter classWriter;

    public MethodGenerator(ClassWriter classWriter) {
        this.classWriter = classWriter;
    }

    public void generate(Function function) {
        Scope scope = function.getScope();
        String name = function.getName();
        String description = DescriptorFactory.getMethodDescriptor(function);
        Collection instructions = function.getStatements();
        int access = Opcodes.ACC_PUBLIC + Opcodes.ACC_STATIC;
        MethodVisitor mv = classWriter.visitMethod(access, name, description, null, null);
        mv.visitCode();
        StatementGenerator statementScopeGenrator = new StatementGenerator(mv);
        instructions.forEach(instr -> statementScopeGenrator.generate(instr,scope));
        mv.visitInsn(Opcodes.RETURN);
        mv.visitMaxs(-1,-1); //asm autmatically calculate those but the call is required
        mv.visitEnd();
    }
}

5. 效果

如下 Enkel 代码：

First {
    void main (string[] args) {
        var x = 25
        metoda(x)
    }

    void metoda (int param) {
        print param
    }
}

会被编译成如下所示的字节码：

$ javap -c First
public class First {
  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: bipush        25 //push value 25 onto the stack
       2: istore_0         //store value from stack into variable at index 0
       3: iload_0          //load variable at index onto the stack
       5: invokestatic  #10 //call metod Method metoda:(I)V  
       8: return

  public static void metoda(int);
    Code:
       0: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: iload_0
       4: invokevirtual #20                 // Method "Ljava/io/PrintStream;".println:(I)V
       7: return
}