手寫編程語言-遞歸函數是如何實現的?
前言
本篇文章主要是記錄一下在 GScript 中實現遞歸調用時所遇到的坑,類似的問題在中文互聯網上我幾乎沒有找到相關的內容,所以還是很有必要記錄一下。
在開始之前還是簡單介紹下本次更新的 GScript
v0.0.9 所包含的內容:
- 支持可變參數
- 優化
append
函數語義 - 優化編譯錯誤信息
- 最後一個就是支持遞歸調用
先看第一個可變參數:
//formats according to a format specifier and writes to standard output.
printf(string format, any ...a){}
//formats according to a format specifier and returns the resulting string.
string sprintf(string format, any ...a){}
以上是隨着本次更新新增的兩個標準函數,均支持可變參數,其中使用 ...
表示可變參數,調用時如下:
printf("hello %s ","123");
printf("hello-%s-%s ","123","abc");
printf("hello-%s-%d ","123",123);
string format = "this is %s ";
printf(format, "gscript");
string s = sprintf("nice to meet %s", "you");
assertEqual(s,"nice to meet you");
與大部分語言類似,可變參數本質上就是一個數組,所以可以拿來循環遍歷:
int add(string s, int ...num){
println(s);
int sum = 0;
for(int i=0;i<len(num);i++){
int v = num[i];
sum = sum+v;
}
return sum;
}
int x = add("abc", 1,2,3,4);
println(x);
assertEqual(x, 10);
// appends "v" to the end of a array "a"
append(any[] a, any v){}
之後是優化了內置函數 append()
的語義,本次優化來自於 issue12 的建議:
//github.com/crossoverJie/gscript/issues/12
// Before
int[] a={1,2,3};
println(a);
println();
a = append(a,4);
println(a);
// Output: [1 2 3 4]
// Now
int[] a={1,2,3};
println(a);
println();
append(a,4);
int b = a[3];
assertEqual(4, b);
println(a);
// Output: [1 2 3 4]
現在 append
之後不需要再重新賦值,也會追加數據,優化後這裡看起來是一個值/引用傳遞的問題,但其實底層也是值傳遞,只是在語法上增加了這樣的語法糖,幫使用者重新做了一次賦值。
之後是新增了編譯錯誤信息提示,比如下面這段代碼:
a+2;
b+c;
使用沒有聲明的變量,現在會直接編譯失敗:
1:0: undefined: a
2:0: undefined: b
2:2: undefined: c
class T{}
class T{}
// output:
2:0: class T redeclared in this block
重複聲明之類的語法錯誤也有相關提示。
最後一個才是本次討論的重點,也就是遞歸函數的支持。
int num(int x,int y){
if (y==1 || y ==x) {
return 1;
}
int v1 = num(x - 1, y - 1);
return c;
}
再上一個版本中 int v1 = num(x - 1, y - 1);
這行代碼是不會執行的,具體原因後文會分析。
現在利用遞歸便可以實現類似於打印楊輝三角
之類的程序了:
int num(int x,int y){
if (y==1 || y ==x) {
return 1;
}
int v1 = num(x - 1, y - 1);
int v2 = num(x - 1, y);
int c = v1+v2;
// int c = num(x - 1, y - 1)+num(x - 1, y);
return c;
}
printTriangle(int row){
for (int i = 1; i <= row; i++) {
for (int j = 1; j <= row - i; j++) {
print(" ");
}
for (int j = 1; j <= i; j++) {
print(num(i, j) + " ");
}
println("");
}
}
printTriangle(7);
// output:
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
函數中的 return
int num(int x,int y){
if (y==1 || y ==x) {
return 1;
}
int v1 = num(x - 1, y - 1);
return c;
}
現在我們來看看這樣的代碼為什麼執行完 return 1
之後就不會執行後邊的語句了。
其實在此之前我首先解決的時候函數 return
後不能執行後續 statement
的需求,其實正好就是上文提到的邏輯,只是這裡是遞歸而已。
先把代碼簡化一下方便分析:
int f1(int a){
if (a==10){
return 10;
}
println("abc");
}
當參數 a 等於 10 的時候確實不能執行後續的打印語句了,那麼如何實現該需求呢?
以正常人類的思考方式:當我們執行完 return
語句的時候,就應該標記該語句所屬的函數直接返回,不能在執行後續的 statement
。
可是這應該如何實操呢?
其實看看 AST
就能明白了:
當碰到 return
語句的時,會遞歸向上遍歷語法樹,標記上所有 block
節點表明這個 block
後續的語句不再執行了,同時還得把返回值記錄下來。
這樣當執行到下一個 statement
時,也就是 println("abc");
則會判斷他所屬的 block
是否有被標記,如果有則直接返回,這樣便實現了 return
語句不執行後續代碼。
部分實現代碼如下:
// 在 return 的時候遞歸向上掃描所有的 Block,並打上標記,用於後面執行 return 的時候直接返回。
func (v *Visitor) scanBlockStatementCtx(tree antlr.ParseTree, value interface{}) {
context, ok := tree.(*parser.BlockContext)
if ok {
if v.blockCtx2Mark == nil {
v.blockCtx2Mark = make(map[*parser.BlockContext]interface{})
}
v.blockCtx2Mark[context] = value
}
if tree.GetParent() != nil {
v.scanBlockStatementCtx(tree.GetParent().(antlr.ParseTree), value)
}
}
源碼地址:
//github.com/crossoverJie/gscript/blob/793d196244416574bd6be641534742e57c54db7a/visitor.go#L182
遞歸的問題
但同時問題也來了,就是遞歸的時候也不會執行後續的遞歸代碼了。
其實解決問題的方法也很簡單,就是在判斷是否需要直接返回那裡新增一個條件,這個 block
中不存在遞歸調用。
所以我們就得先知道這個 block
中是否存在遞歸調用。
整個過程有以下幾步:
- 編譯期:在函數聲明處記錄下函數與當前
context
的映射關係。 - 編譯期:掃描
statement
時,取出該statement
的context
所對應的函數。 - 編譯期:掃描到的
statement
如果是一個函數調用,則判斷該函數是否為該block
中的函數,也就是第二步取出的函數。 - 編譯期:如果兩個函數相等,則將當前
block
標記為遞歸調用。 - 運行期:在剛才判斷
return
語句處,額外多出判斷當前block
是否為遞歸調用,如果是則不能返回。
部分代碼如下:
總結
這裡的遞歸調用其實卡了我挺長時間的,思路是有的,但是寫出來的代碼總是和預期不符,當天晚上坐在電腦面前到凌晨兩三點,百思不得其解。
最後受不了上床休息的時候,突然一個靈光乍現讓我想到了解決方案,於是第二天起了個早床趕忙實踐,還真給解決了。
所以有些時候碰到棘手問題時給自己放鬆一下,往往會有出其不意的效果。
最後是目前的遞歸在某些情況下性能還有些問題,後續會盡量將這些標記過程都放在編譯期,編譯慢點沒事,但運行時慢那就有問題了。
之後還會繼續優化運行時的異常,目前是直接 panic
,堆棧也沒有,體感非常不好;歡迎感興趣的朋友試用反饋bug。
源碼地址:
//github.com/crossoverJie/gscript