手把手教你寫腳本引擎（二）——命令腳本

陳梓瀚

華南理工大學(xué)軟件本科05級

vczh@163.com

http://www.shnenglu.com/vczh/

這次要實現(xiàn)的是一個形式最簡單的腳本。這種腳本僅有命令、標(biāo)號及跳轉(zhuǎn)構(gòu)成，看起來就跟匯編一樣，不過好是比較好讀的。雖然這種腳本語言的語法非常簡單，但是最基本的要素還是要有的。

作為一個腳本引擎，為了可以在各種各樣的合適的宿主程序中使用，腳本本身最好不要涉及到具體的領(lǐng)域。當(dāng)然，如果這個腳本被創(chuàng)建的目的僅僅是為了某個領(lǐng)域的話，那就無所謂了。因此，一個腳本引擎需要一個檢查和運行代碼的機制、運行時環(huán)境的維護(hù)以及一個功能足夠使用的插件系統(tǒng)。一個完整的腳本引擎至少需要如下部件：

1、代碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來存放經(jīng)過分析的腳本代碼。事實上解釋型的腳本引擎，也就是邊執(zhí)行邊分析代碼字符串的腳本引擎是比較難做，而且效率也不高的。腳本代碼經(jīng)過事先分析，可以檢查一出一些在運行之前就能夠檢查的錯誤。而且我們把腳本的代碼重新處理成一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，執(zhí)行也變得更加容易控制。

2、運行時環(huán)境。運行時環(huán)境用于存放腳本在運行的過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，譬如堆棧、變量和狀態(tài)信息等。對于一個已知的代碼，不同的運行時環(huán)境代表不同的腳本執(zhí)行流程。為了讓腳本可以同時（但不一定是并發(fā)）執(zhí)行，將運行時環(huán)境獨立出來也就顯得必要了。

3、語法分析器。語法分析器用于將代碼轉(zhuǎn)換成等價的代碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在發(fā)現(xiàn)代碼出錯的時候輸出合適的錯誤信息。

4、插件。插件是腳本與外部環(huán)境交互的途徑之一。有了插件系統(tǒng)，我們可以為腳本引擎添加額外的、跟腳本引擎無關(guān)的功能，譬如文件操作、屏幕輸入輸出等。如果必要的話，插件系統(tǒng)可以將腳本引擎與領(lǐng)域信息互相隔離，系統(tǒng)將變得更加容易使用。

5、虛擬機。虛擬機用于執(zhí)行代碼并返回相應(yīng)的結(jié)果。我們在使用腳本引擎時直接跟虛擬機進(jìn)行交互，虛擬機則協(xié)調(diào)上述4個部件的相互協(xié)作。

在知道了這些之后，我們就可以開始開發(fā)一個基于命令的腳本引擎了。為了更加詳細(xì)以及明確地講述開發(fā)過程以及原理，在這里將構(gòu)造一門簡單的基于命令的語言。一門語言至少還是要有分支和循環(huán)的。但是為了簡化，我們將分支和循環(huán)分解成判斷與跳轉(zhuǎn)。語言可以自由添加標(biāo)號，標(biāo)號將作為跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)而出現(xiàn)。這門語言使用如下語法：

<值>：值可以是整數(shù)、小數(shù)、字符串或名字。

<名>：名可以是變量名或者標(biāo)號等，使用字母與下劃線開始，后接不定數(shù)量的字母、下劃線與數(shù)字。

<名>:：名字后接冒號代表一個標(biāo)號。這個標(biāo)號代表著一個指令的位置，用于指定跳轉(zhuǎn)目標(biāo)。

goto <名>：goto用于直接跳轉(zhuǎn)到一個位置繼續(xù)執(zhí)行。

set <名> <值>：set用于將一個值賦值給一個指定名字的變量。這個變量不存在則創(chuàng)建。

opcode <名> <值> <值>：opcode可以是add、minus、mul、div、idiv或mod。這6個命令將兩個值進(jìn)行加、減、乘、除、整除及求余，并將結(jié)果賦值給一個指定名字的變量。這個變量不存在則創(chuàng)建。

if <值>[ opcode <值>] goto <名>：if用于判斷一個條件并在條件滿足被滿足的時候跳轉(zhuǎn)到指定的地方。條件可以是一個值，這個值必須是整數(shù)，并且在這個值不為0的時候條件被滿足。條件也可以是一個比較，這個時候opcode可以是is、is_not、less_than、greater_than、less_equal或greater_equal，分別在第一個值等于、不等于、小于、大于、小于或等于、大于或等于第二個值的時候滿足條件。

exit：結(jié)束執(zhí)行

<名> <值>*：如果命令名稱不是上面的5種的其中一種的話，那么這個命令將被傳遞給插件進(jìn)行執(zhí)行。這個時候，命令可以有任意的參數(shù)。

在這種語法下，我們可以假設(shè)宿主程序給了我們write、writeln和read命令用于輸入輸出，并得到一個判斷輸入的數(shù)字是否質(zhì)數(shù)的程序：

  write "請輸入一個數(shù)字："

  read Number

  if Number less_then 2 goto FAIL

  if Number is 2 goto SUCCESS

  set Divisor 2

LOOP_BEGIN:

  if Number is Divisor goto SUCCESS

  mod Remainder Number Divisor

  if Remainder is 0 goto FAIL

  add Divisor Divisor 1

  goto LOOP_BEGIN

SUCCESS:

  writeln Number "是質(zhì)數(shù)。"

  exit

FAIL:

  writeln Number "不是質(zhì)數(shù)。"

這個程序首先判斷輸入是不是小于等于2，如果不是的話則使用一種簡單的方法來判斷輸入是不是質(zhì)數(shù)。假設(shè)輸入的數(shù)字為n，那么在n>2的時候，如果2到n-1中的任何一個數(shù)字能夠整除n的話，那么n就不是質(zhì)數(shù)了。下圖是這個腳本的運行結(jié)果：

現(xiàn)在開始實現(xiàn)它。

在真正開始讀腳本之前，我們需要一個在內(nèi)存中表達(dá)命令的方法。命令有兩種，一種是跳轉(zhuǎn)標(biāo)號，另一種是普通的命令。于是我們可以大概給出一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。跳轉(zhuǎn)標(biāo)號表用于查詢一個名字所指定的命令的位置，而一個命令就由一個名字和一個參數(shù)列表構(gòu)成。參數(shù)列表中的參數(shù)不僅有內(nèi)容，還有類型。主要用于區(qū)分字符串和名字：

     enum LexerType

     {

         ltString,

         ltName

     };

     class LexerToken

     {

     public:

         LexerType Type;

         wstring Token;

};

     class Command

     {

     public:

         wstring Name;

         vector<LexerToken> Parameters;

};

至于命令與標(biāo)號的表示方法則用如下代碼：

     vector<Command> FCommands;

map<wstring , size_t> FLabels;

好了，現(xiàn)在讓我們看看一行代碼應(yīng)該如何分析。由于腳本支持字符串，所以我們不能簡單地使用空格來分割。如果我們遇到了“  writeln Number "是質(zhì)數(shù)。"”，那么我們期望的結(jié)果是這一行代碼被拆分成三個部分，分別是writeln、Number和"是質(zhì)數(shù)。"。于是我們可以寫一個函數(shù)，一次取出一個部分。那么我們只要一直取道換行符或者字符串結(jié)束，就能獲得一行的所有部分了。

腳本代碼由整數(shù)、小數(shù)、字符串、名字以及冒號組成。于是我們可以寫很多類似的代碼，然而格式都是int GetXXX(wchar_t*& Input);。這個函數(shù)檢查Input是否由XXX開始，返回值代表XXX用掉了多少個字符，然后把Input參數(shù)往后推那么多個字符返回給你。舉個例子：

wchar_t* Input=L”123vczh”;

int Chars=GetInt(Input);

這個時候Chars=3，而且Input已經(jīng)往后推了三個字符，指向了”vczh”。

于是經(jīng)過努力，我們就擁有了一些函數(shù)：GetInt、GetReal、GetName、GetString、GetColon、GetSpace和GetLineBreak。我們?nèi)绾问褂媚兀渴紫龋覀冊诿恳淮潍@得一個部分之前，我們都要調(diào)用GetSpace以過濾所有空格。然后就按如下順序調(diào)用上面的5個函數(shù)：

GetColon

GetString

GetName

GetReal

GetInt

事實上只要GetInt在GetReal之下就好了。因為如果123.456被GetInt先吃掉了3個字符之后，剩下的就無法解釋了。

如果全都失敗（函數(shù)返回0，代表什么都沒檢查到）了，那么我們可以GetLineBreak。如果再次失敗，那么證明這個輸入的腳本就有問題了。那么報錯吧。在示例代碼的Lexer.h/Lexer.cpp中有一個非常類似的詞法分析器用于將一行代碼分段。

讓我們把“  writeln Number "是質(zhì)數(shù)。"”分行吧。

首先調(diào)用GetSpace，字符串指向了“writeln Number "是質(zhì)數(shù)。””，然后依次調(diào)用5個函數(shù)一直到GetName成功。GetName返回7，拿到了writeln，字符串指向了“” Number "是質(zhì)數(shù)。””。

然后調(diào)用GetSpace，接著仍然到了GetName成功。GetName返回6，字符串指向了“"是質(zhì)數(shù)。””。

接著調(diào)用GetSpace，調(diào)用到GetString的時候就成功了。GetString返回6（注意我們用的是wchar_t），字符串指向了“”。

后面所有的調(diào)用都失敗了。我們意識到字符串已經(jīng)用完了，于是對這一行代碼的分析就到此為止了。

到了這里，我們把所有的行都分割成一堆東西了。于是下面可以在采取一個步驟。我們首先辨別出哪一些是標(biāo)號，哪一些是命令，然后填入上面的代碼中提到的vector<Command>和map<wstring , size_t>中。如果我們遇到了一個標(biāo)號，那么就將標(biāo)號名和命令表當(dāng)前存在的命令的數(shù)量加入標(biāo)號表，其余的都放進(jìn)命令表。于是我們在goto的時候，就可以從標(biāo)號表中查到命令在命令表中的位置，從而成功跳轉(zhuǎn)了。

對于上面那段檢查是否質(zhì)數(shù)的代碼，最終的分析結(jié)果如下：

標(biāo)號表：

LOOP_BEGIN: 05

SUCCESS: 10

FAIL:12

命令表：

00  write "請輸入一個數(shù)字："

01  read Number

02  if Number less_then 2 goto FAIL

03  if Number is 2 goto SUCCESS

04  set Divisor 2

05  if Number is Divisor goto SUCCESS

06  mod Remainder Number Divisor

07  if Remainder is 0 goto FAIL

08  add Divisor Divisor 1

09  goto LOOP_BEGIN

10  writeln Number "是質(zhì)數(shù)。"

11  exit

12  writeln Number "不是質(zhì)數(shù)。"

命令表里面有13個項，每一個項都被分成了命令名和參數(shù)表兩個部分。執(zhí)行的時候可以通過命令名來做相應(yīng)的工作。讓我們來手工執(zhí)行一下這個代碼。

執(zhí)行00，執(zhí)行01，我們輸入“5”。

02條件失敗，03條件失敗，04設(shè)置變量Divisor為2。

05條件失敗，06設(shè)置Remainder=5%2=1，07條件失敗，08 Divisor變成3，09跳轉(zhuǎn)到05（LOOP_BEGIN）。

05條件失敗，06設(shè)置Remainder=5%3=2，07條件失敗，08 Divisor變成4，09跳轉(zhuǎn)。

05條件失敗，06設(shè)置Remainder=5%4=1，07條件失敗，08 Divisor變成5，09跳轉(zhuǎn)。

05條件成功，跳轉(zhuǎn)到10（SUCCESS）。

10輸出“是質(zhì)數(shù)。”，11退出程序。

于是現(xiàn)在剩下了最后一個問題。write、writeln和read原本是不存在于腳本引擎的。但是腳本引擎不具有輸入輸出的方法也是不行的，所以我們需要實現(xiàn)一個插件系統(tǒng)。這個插件系統(tǒng)可以讓我們在腳本引擎的外部添加命令。也就是說，我們構(gòu)造了一個腳本引擎，然后在外部創(chuàng)建一個插件，包含write、writeln和read，然后連接他們。最后做一些手段讓腳本引擎在執(zhí)行到外部命令的時候?qū)⒖刂茩?quán)轉(zhuǎn)移給插件。

在這里，我們可以使用責(zé)任鏈模式。腳本引擎在遇到一個不認(rèn)識的命令的時候，就訪問第一個鏈接到腳本引擎的插件。這個時候插件可以返回三種結(jié)果：成功、失敗或者棄權(quán)。返回成功代表命令被成功執(zhí)行，腳本引擎繼續(xù)往下走。返回失敗代表指令被執(zhí)行了，但是執(zhí)行出錯，這個時候腳本引擎返回錯誤信息并停止執(zhí)行。返回棄權(quán)代表這個插件不受理這個命令，腳本引擎將這個命令傳遞給下一個插件。如果所有的插件都棄權(quán)的話，那么腳本引擎將返回“無效命令”并停止執(zhí)行。

所以插件只需要有一個函數(shù)就行了。這個函數(shù)返回執(zhí)行結(jié)果（成功、失敗或棄權(quán)），參數(shù)為當(dāng)前的命令以及運行時環(huán)境（保存變量的地方）。腳本引擎使用一個vector去記錄所有鏈接的插件的指針，這樣的話腳本引擎在遇到不能解釋的命令的時候就可以依次訪問插件了。下面是插件的示例代碼：

     class Plugin

     {

     public:

         virtual PluginStatus Execute(const Command& aCommand , Environment& aEnvironment , wstring& ErrorMessage)=0;

};

vector<Plugin*> FPlugins;

命令腳本的東西就講到這里了。接下來的一些文章將講述如何處理高級語言，并且開發(fā)一門新的語言出來。這門語言將只支持bool、int、double、string、數(shù)組和函數(shù)。

點擊這里下載本片文章的示例代碼。

代碼結(jié)構(gòu)如下：

Lexer.h/Lexer.cpp：詞法分析器

ScriptCommand.h/ScriptCommand.cpp：腳本引擎

Main.cpp：主程序

這個程序（SE_02.exe）讀取一個文本文件（SE_02.txt）并執(zhí)行，可以在debug文件夾下看到編譯結(jié)果。