XRuby：享用JVM上的Ruby
XRuby是什么？它是一个开源编译器。与其它编译器一样，它完成的工作是将一种格式的语言转换成另一种。与大多数编译器不同的是，它是将Ruby的代码（.rb）转换成Java的字节码（.class)。
图1：将Ruby编译为字节码
又一个Ruby实现？
Ruby编译器？那岂不又是一个Ruby的实现。自从Ruby越来越受到人们的关注，各种Ruby实现也逐渐出现在人们的视野之中。除了Ruby之父松本行弘（Matz）开发的版本（Matz Reference Implementation，简称MRI）之外，JRuby、Rubinius、IronRuby、Ruby.NET、Cardinal等不同Ruby实现的名头也是一天比一天响亮。同为Ruby实现，XRuby有哪些不同之处呢？
XRuby是一个将Ruby代码编译为Java字节码的编译器，这说明
- XRuby的目标平台是Java虚拟机（Java Virtual Machine，简称JVM）
- XRuby是一个编译器
运行在JVM上让XRuby有别于用C完成的MRI，.NET平台上的IronRuby和Ruby.NET和Parrot上的Cardinal，而编译器的特点又让XRuby和JRuby有所差别。
JVM上的Ruby
无可否认，经过多年发展，Java已经成为软件开发世界的主流语言之一，选择Java平台还因为：
- Java是一个经过验证的平台
- Java在许多领域内都有了成熟的解决方案
- Java已经有了大量稳定的基础结构
- 有众多熟悉Java的人才
- Java社区非常开放
从程序设计语言的发展来看，一种新兴的程序设计语言都会存在与主流程序设计语言的接口，比如C/C++对汇编语言的接口，比如Java语言对于C/C++ 的接口。通过这样的接口，利用主流语言已有的资源，帮助新语言得到更好的接受。用C开发的MRI让Ruby已经拥有了和C/C++的接口，XRuby为 Ruby提供了一种通往Java世界的选择。拥有Ruby和Java的接口，意味着我们可以将Ruby的开发效率和Java的丰富资源结合起来：在 Ruby的代码中使用Java的类库；将Ruby应用部署到Java EE的服务器上……
为什么要将Ruby应用部署到Java EE服务器上呢？Java EE技术经过多年的发展已经走向成熟，并在业界得到了广泛的应用，Java EE的服务器逐渐稳定，在很多领域中都有了成熟的解决方案。更重要的是，将Ruby应用部署到Java EE服务器上，意味着之前众多企业在Java EE服务器方面的投资将会得到重用，这会极大的减少基础设施建设方面的浪费。
解释和编译
如果我们想将程序设计语言编写的源代码运行起来，通常情况下，我们有两条路可以走：解释和编译，这也是我们让Ruby运行于JVM平台的两种选择。
解释，这是MRI最初的选择。因为有MRI作为参考，所以，这也是一种相对来说比较容易移植的选择。这种做法需要有一种专门的执行引擎。如下图所示，源码经过MRI解析之后，产生了一棵抽象语法树（Abstract Syntax Tree，简称AST）。利用这棵树产生我们需要的结果，这是执行引擎的工作。这种做法的好处就是可以把执行逻辑独立处理，无须为每个平台编写不同的代码，所以，这种做法的可移植性很好，它也就成了不少程序设计语言最初的选择。不过，随之而来的问题就是这会降低执行速度，毕竟，这个软件执行引擎的性能无法与硬件相比。所以，“编译”会让程序拥有更佳的性能。
图2：解释
采用编译的方式，我们可以将代码编译成可以由硬件直接执行的二进制代码。对于JVM这个“虚拟”的机器而言，它的二进制代码就是字节码。因为不同硬件和不同操作系统的二进制格式是不同的，所以，如果希望语言得到广泛应用，那便需要针对不同平台实现平台相关的编译器后端，理论上说，这不是一件不能完成的任务，但实际上，这意味着巨大的工作量。JVM的存在降低了这个难度，因为主流软硬件平台上基本都有自己的JVM实现，所以，代码可以运行在JVM上便意味可以运行在大多数平台上。当然，因为JVM本身是虚拟机，也是一种软件实现，所以，性能上也会有一些损失。不过，随着JVM技术上的不断进步，性能损失越来越小。另外，从Java平台的广泛应用也证明了，这样的损失在实践中是可以接受的。不过，相对于解释的方式有MRI这种成熟实现作为参考，编译显然需要更多的探索。
图3：编译
除了执行性能之外，将Ruby代码编译为Java的字节码还可以为我们带来另外的好处，那就是保护源代码。解释的方式让很多人不放心的一点就在于，产品发布意味着将源代码也发布出去。对于需要保护知识产权的公司和个人而言，这是他们所不愿意看到的。通过编译的方式，我们将源代码转成了字节码，这样，源代码可以得到有效保护。破解字节码理论上也是有可能的，不过，这是另外的故事了。
XRuby从起步开始走的就是编译的道路，而JVM上的另外一种Ruby实现——JRuby则是从解释起步的。相比于解释，编译方式在性能方面有着很大的优势，所以，从解释方式起步的JRuby最终也走上编译的道路。
初涉XRuby
让我们从一段简单的Ruby代码出发，更具体了解一下XRuby。
class MyClass
def say_hello_three_times
3.times { puts "hello"}
end
end
MyClass.new.say_hello_three_times
（simple.rb）
这里，我们定义了名为MyClass的类，其中有一个say_hello_three_times，它的工作就是输出三次“hello”。即便你并不了解Ruby语言，相信这段代码看上去，也不是那么难以理解，只是语法上不尽相同而已。稍微需要解释一下的就是：
3.times { puts "hello"}
同许多面向对象程序设计语言相比，在Ruby中，面向对象做得更加彻底，所以，即便像“3”这样的数字也是一个对象，所以，我们可以调用它的方法。再有，就是后面括号里的东西。在Ruby中，这是一种语法结构，称为block。从这段代码来说，block中的代码会在执行3.times的过程中调用。当然，这里展现的只是非常简单的用法，事实上，block的存在使得Ruby代码具有了更强的表现力。这不是一篇Ruby语言的介绍，如果你对Ruby语言更感兴趣，那本著名的《Programming Ruby》是个不错的选择。
将这段代码保存在一个名为simple.rb，然后，用XRuby对它进行编译。
java -jar xruby-0.3.1.jar -c simple.rb
编译之后，会得到一个名为simple.jar的文件，运行这个JAR文件，就可以得到运行的结果
java -jar simple.jar
屏幕输出为：
hello
hello
hello
当然，我们也可以像使用其它Ruby实现一样，直接运行这段代码，而无需生成中间的JAR文件。
java -jar xruby-0.3.1.jar simple.rb
我们会得到同样的结果：
hello
hello
hello
作为一个Ruby用户，如果你对XRuby有兴趣，你所需要做的只是把XRuby安装到你的系统，像其它Ruby实现一样去使用，因为从用户的角度而言，XRuby和它们没有区别。如果你对Ruby语言的实现感兴趣，也许你需要了解XRuby的一些内部实现。
XRuby的架构
图4：XRuby架构图
上图展示了XRuby的架构，主要包括两个部分：编译器和运行时。编译器部分将Ruby代码编译生成字节码，运行时部分则实现了对Ruby语言的支持。下面具体看一下各个部分。
图5：编译器
Ruby代码经过Parser的解析，会形成一棵抽象语法树，Tree Parser处理这棵树，形成Code DOM。Code Generator部分利用Code DOM生成对应的字节码。这里的Code DOM是对XRuby内部对Ruby语言建立的一个模型，通过这个模型进行代码生成。这个模型将XRuby的编译器前端很好的独立出来，这样，在保持前端不变的情况下，我们可以用它为不同的平台去做代码生成，这也XRuby之所以为“X”的一个原因。
图6：运行时
从这张架构图中，我们可以看到，XRuby的运行时包括动态语言的支持、内建库（Builtin）和Java支持几个部分。
Ruby是一种动态语言，而JVM本身是为Java这样的静态语言提供的平台，很难直接在二者之间做直接的映射。动态语言支持的部分就是为了在JVM平台上支持动态语言特性而存在的。也是因为这个部分的存在，我们即便采用编译的方式，依然使用Ruby的动态语言特性，比如，在程序运行期间为类增加或删除方法等等。
我们知道，除了语言本身外，程序库是一种程序设计语言可以成功的另一种强大的推动力。同样，Ruby的优秀，除了它优雅的语法外，与它有强大的内建库密不可分。所以，XRuby当然也少不了对于内建库的支持。
正如前面提到的，XRuby为Ruby提供了一条通往Java的道路，Java支持部分就是完成这样的工作。有了这个部分，你就可以在Ruby脚本使用Java的类库，这样，丰富的Java资源可以在Ruby世界中得到重用。
如果这里的讨论引起你对XRuby更多的兴趣，或许你希望更多的了解XRuby，那最好的方式是参与到XRuby的开发中来。
管窥XRuby
进入XRuby开发最好的起点莫过于内建库，下面是一个简单的内建库中Array#length实现的例子：
@RubyLevelClass(name="Array")
public class RubyArray … {
…
@RubyLevelMethod(name="length")
public RubyFixnum length() {
return ObjectFactory.createFixnum(this.array_.size());
}
…
}
XRuby提供了一个名为@RubyLevelClass的Annotation，它将Java层次的类绑定到Ruby层次的类上。这里可以看到， RubyArray是一个定义在Java层次的类，通过@RubyLevelClass，它被绑定为Ruby层次的Array这个类上。同样， @RubyLevelMethod完成的是将Java层次的方法绑定到Ruby层次上的工作。在上面的例子中，我们用这个Annotation将Java 的length方法绑定到了Ruby的length方法上。这样，在Ruby代码中调用Array类的length方法最终会调用到RubyArray的 length方法上来。
当然，这是一个极为简单的例子，不过，它至少可以说明，XRuby的开发并不像许多人想象的那么复杂。实际上，大多数XRuby的参与者都是从内建库起步的，随着对XRuby了解的增多，再逐渐的参与到其它部分的开发之中，比如动态语言支持和编译器部分等等。
参与XRuby
事实上，XRuby欢迎任何形式的贡献，也鼓励大家进行任何尝试，这也是XRuby不断前进的动力。在这里，大家总会有冒出一些新的想法把事情做得更好。你可以选择不同的方式参与XRuby：
- 使用XRuby
- 报告Bug
- 提交补丁
- 加入邮件列表分享你的想法
- 成为XRuby的项目一员
- ……
参与XRuby这样一个开源编译器项目会有很多乐趣：
- XRuby是一个编译器，对于那些不满于工作在黑盒上的程序员来说，编译器和操作系统等底层知识具有难以抗拒的吸引力，了解这些知识本身可以为我们带来更好的理解代码如何运行，写起代码来也会更加的得心应手。 编译器技术背后的思想不仅限于编译器技术本身，了解这些技术之后，你会发现它会在许多的问题上为你带来新的思路。
- XRuby是一个Ruby语言的实现，这意味着我们可以更多的了解Ruby这种优雅的程序设计语言。了解得越多，我们便可以越多的发现它的优点，这会让我们更加喜欢这种程序设计语言。
- 不仅仅是运用Ruby，我们更要了解Ruby语言的实现，甚至是更为通用的是动态语言实现机制。对于语言实现的了解，将有助于我们写出更为高效的程序，对于动态语言尤其如此，不少看上去功能类似的做法，实际上却存在很大的差异。
- XRuby的目标运行平台是JVM，所以，我们会得到与JVM打交道的机会，了解JVM可以帮助我们更好的理解Java代码的运行机制，写出更好的Java代码。
- XRuby是一个开源项目，所以，参与XRuby让我们有机会为开源做出自己的贡献，与天南海北的人协同开发，体会开源开发模式为我们带来的种种乐趣。
- 最重要的是，XRuby还是一个年轻的项目，这意味着参与其中的人将会获得更多的机会，和它共同成长。
Ruby之父松本行弘经常将乐趣挂在嘴边，因为编程本来就该是一件充满乐趣的事。如果你对XRuby有兴趣，那不妨加入我们，和我们一起体验这份开发的乐趣，共同享用JVM上的Ruby！
参考信息
- XRuby主页
- XRuby项目
- XRuby Blog
- XRuby邮件列表