java脚本引擎的设计原理浅析

  1. 云栖社区>
  2. 博客>
  3. 正文

java脚本引擎的设计原理浅析

闪电侠天樵 2018-08-01 20:50:26 浏览5392
展开阅读全文

本人在阿里巴巴长期担任和负责规则引擎、流程引擎相关的技术开发,另外还负责开发和维护开源项目:
https://github.com/alibaba/QLExpress

QLExpress是一个脚本引擎工具,类似Groovy,JRuby等,是为了解决当时电商规则动态编译、表达式高精度计算、复杂布尔运算、自定义函数和操作符号、语法树生成等需求而设计的。QLExpress项目开源自2012年,截至目前已经迭代了60多个版本,(在阿里的专有开源社区 index - Taocode )后在社区和集团内部却意外获得非常好的反响。

然而,我要很不客气的讲,在众多优秀的脚本引擎工具list中,QLExpress还很不完美。本篇结合自己的工作和技术研究,列举其中一些比较有意思的。

一、分类标准

1、编译型 vs 解析性

如果能够产生一个独立的class文件则属于前者,例如:fel,simpleEl,groovy
否则通过编译成自定义的内存指令就属于后者,例如:QLExpress,aviator,JEXL

2、java语法 vs 表达式语言(EL expression language) vs 脚本(script)

如果语法和java保持一致,不做任何扩展,就是属于第一种:
如果语法大量简化(比如去掉显示类、方法、变量声明,异常处理,逻辑跳转循环等等),只支持简单的数学公式、对象方法成员变量调用, 就属于第二种:fel,simpleEl,aviator
介于两者之间,即提供很好的语法糖,又支持大部分java语法:for循环,if判断,函数定义,就属于第三种:groovy,QLExpress

3、静态类型 vs 动态类型 vs 强类型 vs 弱类型

区别看这里: 弱类型、强类型、动态类型、静态类型语言的区别是什么?
假设两个都很成熟的脚本引擎,强类型可以比弱类型提高一个数量级的运算效率,但是带来业务的灵活性也就差很多。比如fel、simpleEl比Groovy、QLExpress效率肯定要高一个量级,因此,Groovy也提供了静态类型的模式牺牲部分灵活性来提高性能。

二、设计思路

思路一:通过文本替换成java源码文件。

编译时,使用 jdk工具( javax.tools.JavaCompiler )或者 eclipse工具 动态编译成class文件
运行时,取出class文件放入jvm直接运行

思路二:通过 antlr 等 语法解析器 把文本流解析成抽象语法树(AST)。

编译时,把AST的节点重新编排成class文件或者指令集。
运行时,把其中的操作符映射成自定义的执行器。

三、看一些案例

1、simpleEL

作者:温绍锦(高铁@alibaba) https://github.com/alibaba/simpleel
demo代码:

DefaultExpressEvalService service = new DefaultExpressEvalService();
service.regsiterVariant(Integer.class,”a”,"b");//注册数据类型
service.setAllowMultiStatement(true); //设置支持多行语句
Map<String, Object> ctx = new HashMap();
ctx.put("a", 2);
ctx.put("b", 1);
String dsl = "if (@a > @b) { return @a - @b; } else {return @b - @a; }";
Object result = service.eval(ctx, dsl);
//return 1

内部原理剖析:

if (@a > @b) 
{
  return @a - @b; 
} else 
{
  return @b - @a;
}

通过@标识变量,直接转化为一下的java源码,然后再转化为class文件
生成的class文件反编译后的源码:
image

再比如:

DefaultExpressEvalService service = new DefaultExpressEvalService();
service.regsiterVariant(MyBean.class,"bean");
Map<String, Object> ctx = new HashMap();
ctx.put("bean", new com.taobao.el.MyBean());
String dsl = "@bean.getId() + ':' + @bean.getName()"
Object result = service.eval(ctx, dsl);

生成的class文件反编译后的源码:
image

特点:
简单如其名,最最simple的EL,源码实现也极其简单。
依赖变量标识和强类型注册,不借助任何语法解析工具,就实现了非常高效简单的EL计算。
因为太简单,所以后续功能开发停滞了,2014-9-17后停止更新。

2、fel

作者:未知 https://code.google.com/archive/p/fast-el/
demo代码

FelEngine fel = new FelEngineImpl();
FelContext ctx = fel.getContext();
ctx.set("首重价格", 10.5); ctx.set("续重价格", 2.5);
ctx.set(“首重",5); ctx.set("总重量", 15);
String dsl = "首重价格*首重+续重价格*(总重量-首重)";
Expression exp = fel.compile(dsl, ctx);//必须变量全部注入后,才能编译通过
Object result =  exp.eval(ctx);
System.out.println(result);

内部原理剖析:

首重价格*数量+续费价格*(首重-数量)

使用antlr 对文本流进行语法分析,转化为AST之后生成简单的java源码

生成的class文件反编译后的源码:
image

特点:
和simpleEL相比,这是一个非常追求极致效率的作品,它能识别重复变量,开提供function注册、SourceBuilder等编译后期优化,基本可以保持到和java源码静态编译后只低一个数量级的效率。
静态类型,不支持多行表达式,new对象等,2013-3-26后停止更新

3、Groovy

大名鼎鼎的开源项目: The Apache Groovy programming language
demo:

GroovyClassLoader groovyLoader = new GroovyClassLoader();

Class<Script> groovyClass = (Class<Script>) groovyLoader.parseClass("a+b*c");

Script script = groovyClass.newInstance();

Binding bind = new Binding();

bind.setVariable("a", 1);
bind.setVariable("b", 2);
bind.setVariable("c", 3);

script.setBinding(bind);

Object result =  script.run();
//return 7

特点:
由于大规模的使用和发展历史悠久,groovy功能强大到无与伦比,本身和java源码文件无缝兼容,又提供一大堆的语法糖和功能库。

4、QLExpress
作者:强辉、包行杰 alibaba/QLExpress

ExpressRunner runner = new ExpressRunner();

DefaultContext<String, Object> context = new DefaultContext<String, Object>();

context.put("a",1);
context.put("b",2);
context.put("c",3);

Object result =  runner.execute("a+b*c",context,null,true,false);

特点:
从阿里巴巴的电商业务土壤中开始发展,融合了众多奇葩却又非常普遍的业务特性。
从2012年2.0版本开始开源,到现在一直在不断的迭代功能和新特性。
弱类型动态类型,高精度数值计算,复杂逻辑运算定制,函数、操作符的重载、覆盖,对象方法的拦截重定义,语法树、变量、函数定义输出等等。
脚本本身具备线程安全,高性能高并发的特性。
和同类型的groovy相比:

1、groovy比qlExpress更兼容java语法

相对功能复杂处理过程的大段java脚本,groovy可以直接拷贝过来运行,
而qlexpress的语法很轻量,对原始的java代码有一定的兼容性问题,一般需要把数据的类型声明全部去掉,同时不支持异常处理、for循环的集合写法 等

2、qlExpress比groovy更强调功能扩展

因为qlExpress就是诞生于阿里的电商系统,定制了很多特别的常用功能需求(宏定义,语法解析,公式计算,布尔逻辑处理,操作符函数的内置替换),可读性和功能更贴合业务需要,详细看qlExpress的扩展能力部分

3、qlExpress比groovy实现更简洁,操作系统以及应用领域更广

目前我们的qlExpress因为所有的语法解析、运算执行都自己编码实现,依赖实现极其简单,在阿里的新零售领域,在大量的低版本android系统的pos机上都有大规模使用,稳定性非常好。


4、qlExpress和groovy性能相当

qlExpress和groovy同属弱类型语法,比如a+b,可以在运行时支持字符串,数字等多种计算模式,相比fel,simpleExpress 等强类型语言性能会差一个数量级。
他们都支持编译期做了缓存功能,qlExpress转化为InstructSet,groovy转化为一个特殊的groovyclass子类

文章总结

限于篇幅,本文没有再枚举更多的脚本引擎,对groovy和QLExpress也没有充分展开原理介绍,最后只表述本人的对这个行业的一些看法。

1、如何自己造轮子:基于jvm的java语言的脚本引擎本身门槛并不高。

我见过好几个case:开发能力比较强的团队在了解 jdk字节码生成工具,antlr语法生成工具,深入阅读一些编译原理文章之后,都可以在1-2月内开发出一个脚本引擎,满足业务述求。
但是,往往会因为与业务系统耦合、功能太少、通用性太差、不具备开放性等原因逐渐消亡,无法大范围推广。

2、如何选轮子:性能、稳定性、语法灵活性综合考虑

某种角度来说,脚本引擎因为可以动态解析执行,往往成为业务配置化的一部分。
业务控制逻辑越复杂,越需要流程引擎,规则引擎,脚本引擎一类的东西来编排业务。
作为业务架构师,底层一定要选择一个靠谱好用的脚本引擎工具。
性能上:

  大众化工具>小众化工具(内部工具实现上有很多可以优化的点)
  强类型 > 弱类型(在两者都很成熟稳定的情况下)
  

稳定性上:

  简单的设计原理>强大的开源社区>小众化工具引擎

语法的灵活性:

  代码越多、越复杂的实现方式功能会涵盖越多,语法糖、容错性、兼容性

欢迎对这方面感兴趣的人联系我哦。
微信: 371754252
email: tianqiao@taobao.com
如果你的java基础比较扎实,对流程引擎,规则引擎,脚本引擎感兴趣,都欢迎给我投简历。

网友评论

登录后评论
0/500
评论
闪电侠天樵
+ 关注