AST解释器和字节码解释器

自己原来做过一个编译相关的项目(全局优化问题变量相关性分组软件的实现),用的是字节码解释器,没有用AST解释器。当时基于的考虑是实现起来简单清晰,好调试,不像AST那么复杂,自己心中也是一直有个疑问,到底哪种方法更好?今天总结一下。
字节码结构更紧凑,内存局部性好,解释执行性能高。
从工程上说,字节码解释器也有利于把代码组织得更清晰,把关注点清晰的分离开来。
AST解释器有一些额外的开销,而字节码解释器可以节省这些开销。
AST解释器开销在于:

  1. AST上有些没有执行语义的节点,但解释器在执行时不得不访问它们,增加了解释开销。SquirrelFish文中用语句块(block)的举例,这个不错:一个block仅用于把一堆语句聚合在一起,自身并没有“有效的”执行语义,但解释器为了访问到这个block的子节点却不得不访问这个block。AST的节点种类相对于解析树(parse tree)通常要精简许多(括号、分号之类的token通常都扔掉了),但用于解释执行还是不够精简。
  2. AST通常使用链式结构实现(父节点用指针指向子节点),解释执行需要遍历AST,就得跟随这些指针不断做间接访问。外加AST常会携带一些跟解释执行没直接关系的额外信息,这使得AST节点比较“肥”,占用更多内存,而对解释执行有用的信息在内存里分隔得更开,不紧凑。
  3. AST中每种节点的结构未必相同,有多少个子节点、哪些子节点有用、要按什么顺序去访问那些子节点,都需要针对每种节点专门实现;换句话说,必须确定了节点种类才能确定遍历顺序,这也不利于解释器实现得紧凑。
  4. AST解释器的核心遍历逻辑最自然的实现方式是递归;当然,执行状态得顺着递归通过参数传递。(SquirrelFish文中还提到AST解释器要在节点间传递状态带来额外开销。这主要是以前的JavaScriptCore的实现太纱布了,不能怪AST解释器本身的概念不好⋯)

什么是语法制导翻译?

解释器边做语法分析边执行相应位置的语义动作(semantic action)而不构建AST(例如计算器,针对语义,直接执行相应的操作),于是在完成语法分析的时候也就完成了解释执行。假如不直接做解释执行,这些语义动作也可以用来生成代码(例如字节码),边做语法分析边完成了代码生成,中间也不需要AST。理解语法制导翻译的最重要的一点就是:那些嵌在语法里的语义动作,都可以看作epsilon匹配——匹配空字符串,也就是总是可以匹配——匹配到它们的时候就执行里面的代码。这样就很好理解这些代码是什么时候执行的,而它能访问到的上下文都是怎样的。

参考资料:

  1. 为什么大多数解释器都将AST转化成字节码再用虚拟机执行,而不是直接解释AST?
  2. 符号表和抽象语法树是什么关系?两者在编译器设计中是否必需?
  3. 值得推荐的入门书(RednaxelaFX书评)
  4. 虚拟机随谈(一):解释器,树遍历解释器,基于栈与基于寄存器,大杂烩
  5. 《自制编程语言》集中讨论帖
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