翻译 Ruby 是如何解释运行程序的

qinfanpeng · 2015年11月13日 · 最后由 kevinyu 回复于 2016年10月09日 · 14546 次阅读

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Ruby 是如何解释运行程序的

作者：Starr Horne 原文地址：http://blog.honeybadger.io/how-ruby-interprets-and-runs-your-programs/
前段时间在帮一位前辈校对《Ruby 原理剖析》，而这篇文章正好相关，就试着翻译一下。这是我第一次在这献丑，请大家多提建设性意见。

作为开发人员，对手中的工具越了解，就越利于做出准确的判断。这很有用，尤其是定位性能问题的时候，了解 Ruby 运行底层的运行活动就格外重要。

这篇文章将带你体验一段小程序的分词、解析、编译之旅。我们将用 Ruby 提供的工具来窥探解释器的每一步活动。

别担心，即使你不是专家，这篇文章对你来说也很易懂。这并非高深的技术手册，而只是一篇普通指南。

初遇小程序

我会用 if/else 语句作为示例。为了节约空间，这里用三元操作符写的，别较真啦，这其实就是 if/else。

　　100 ? 'foo' : 'bar'

可别小看这段程序，随着 Ruby 解释处理，信息量很大的。

注：本文的示例是基于 Ruby（MRI）2.2 的，如果你用的是其他实现（或其他历史版本），结果可能不同。

分词（Tokenizing）

在运行程序之前，Ruby 解释器得先将形式自由的程序语句转换成加更结构化的数据。

第一步便是将程序切分成块（chunks），被称之为词条 (token)

# 程序字符串
"x > 1"

# 词条(tokens)
["x", ">", "1"]

Ruby 标准库提供的Ripper模块可以帮我们模拟 Ruby 解释器处理代码的过程。

下面示例在代码上调用了tokenize，如你所见，返回了词条数组。

require 'ripper'
Ripper.tokenize("x > 1 ? 'foo' : 'bar'")
# => ["x", " ", ">", " ", "1", " ", "?", " ", "'", "foo", "'", " ", ":", " ", "'", "bar", "'"]

分词器 (tokenizer) 有点傻，即使给的是非法代码，它还是会很 happy 地分词。

# bad code
Ripper.tokenize("1var @= \/foobar`")
# => ["1", "var"]

词法解析 (Lexing)

紧随分词之后的是词法解析。虽然还是词条，但之上多了附加信息。

下面的示例用Ripper对程序进行词法解析。如你所示，这次给每个词条打上了标签，如代表 identifier 的:on_ident、代表 operator 的:on_op、代码 Integer 的:on_int等。

require 'ripper'
require 'pp'

pp Ripper.lex("x > 100 ? 'foo' : 'bar'")

# [[[1, 0], :on_ident, "x"],
#  [[1, 1], :on_sp, " "],
#  [[1, 2], :on_op, ">"],
#  [[1, 3], :on_sp, " "],
#  [[1, 4], :on_int, "100"],
#  [[1, 5], :on_sp, " "],
#  [[1, 6], :on_op, "?"],
#  [[1, 7], :on_sp, " "],
#  [[1, 8], :on_tstring_beg, "'"],
#  [[1, 9], :on_tstring_content, "foo"],
#  [[1, 12], :on_tstring_end, "'"],
#  [[1, 13], :on_sp, " "],
#  [[1, 14], :on_op, ":"],
#  [[1, 15], :on_sp, " "],
#  [[1, 16], :on_tstring_beg, "'"],
#  [[1, 17], :on_tstring_content, "bar"],
#  [[1, 20], :on_tstring_end, "'"]]

目前为止，还是没有实质性的语法检测，词法解析器 (lexer) 还是会傻傻地处理非法代码。

语法解析 (Parsing)

现在代码已被拆分了成更可操作的词条，是时候进行词法解析了。

词法解析阶段，Ruby 会将词条文本转换成“抽象语法树”(abstract syntax tree)，简称 AST。“抽象语法树”是程序在内存中的表现形式。

你可能会说，整体来看编程语言其实就是更友好的抽象语法树而已。

require 'ripper'
require 'pp'

pp Ripper.sexp("x > 100 ? 'foo' : 'bar'")

# [:program,
#  [[:ifop,
#    [:binary, [:vcall, [:@ident, "x", [1, 0]]], :>, [:@int, "100", [1, 4]]],
#    [:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foo", [1, 11]]]],
#    [:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foobar", [1, 19]]]]]]]

这些输出可能不那么容易理解。不过细看之下，相信你能看出与源码的对应关系的。

# 定义程序
[:program,
# if比较
[[:ifop,
# 条件检测 (x > 100)
[:binary, [:vcall, [:@ident, "x", [1, 0]]], :>, [:@int, "100", [1, 4]]],
# 若为true，则返回“foo”
[:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foo", [1, 11]]]],
# 若为true，则返回“foobar”
[:string_literal, [:string_content, [:@tstring_content, "foobar", [1, 19]]]]]]]

现在 Ruby 解释器知道你具体的目的了，可以马上运行程序了。在 Ruby 1.9 及以前的版本中，确实如此，但现在（Ruby1.9 以后）还有最后一步要做。

编译成字节码 (Compiling to bytecode)

不再是直接遍历抽象语法树，如今的 Ruby 会将抽象语法树编译成更底层的字节码。随后这些字节码会在 Ruby 虚拟机（Ruby virtual machine）中运行。

我们可以通过RubyVM::InstructionSequence来窥探看一下 Ruby 虚拟机内部的工作。下面的示例先编译了代码，然后再反编译成更可读的格式。

puts RubyVM::InstructionSequence.compile("x > 100 ? 'foo' : 'bar'").disassemble
# == disasm: <RubyVM::InstructionSequence:<compiled>@<compiled>>==========
# 0000 trace            1                                               (   1)
# 0002 putself
# 0003 opt_send_without_block <callinfo!mid:x, argc:0, FCALL|VCALL|ARGS_SIMPLE>
# 0005 putobject        100
# 0007 opt_gt           <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>
# 0009 branchunless     15
# 0011 putstring        "foo"
# 0013 leave
# 0014 pop
# 0015 putstring        "bar"
# 0017 leave

哇塞！突然看起来更像汇编而非 Ruby 了。下面来逐一浏览一遍，看看能否理解它们。

# 调用self的`x`方法，并将结果存入栈中。
0002 putself
0003 opt_send_without_block <callinfo!mid:x, argc:0, FCALL|VCALL|ARGS_SIMPLE>

# 将100入栈
0005 putobject        100

# 进行 (x > 100)比较
0007 opt_gt           <callinfo!mid:>, argc:1, ARGS_SIMPLE>

# 若比较结果为false，则跳转至15行
0009 branchunless     15

# 若为true，则返回“foo”
0011 putstring        "foo"
0013 leave
0014 pop

# 这就是15行，如果比较为false，便跳转至此，然后返回“bar”
0015 putstring        "bar"
0017 leave