摘  要： 通過嵌入腳本引擎為應(yīng)用程序提供腳本支持是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序可定制和可擴(kuò)展的有效方法，但現(xiàn)存的腳本語(yǔ)言難于掌握,，引擎龐大使應(yīng)用程序的效率降低,。為了解決該問題，設(shè)計(jì)了語(yǔ)法簡(jiǎn)單易學(xué)的腳本語(yǔ)言Vblet,，實(shí)現(xiàn)了Vblet的輕量級(jí)腳本引擎,。該引擎支持腳本無(wú)縫地使用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的類和函數(shù),，并具有很好的性能。
關(guān)鍵詞： 腳本引擎,；腳本語(yǔ)言,；可擴(kuò)展；可定制,；二次開發(fā)

　腳本語(yǔ)言憑借強(qiáng)大的描述能力和靈活的語(yǔ)法結(jié)構(gòu),，使得為應(yīng)用程序提供腳本支持從而進(jìn)行混合語(yǔ)言開發(fā)成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展和可定制的有效方案[1]。出于穩(wěn)定性和開發(fā)時(shí)間限制的考慮,，開發(fā)人員傾向于嵌入現(xiàn)有腳本引擎的方法為應(yīng)用程序提供腳本支持,，如嵌入Python引擎為應(yīng)用程序提供Python腳本支持，或使用Microsoft提供的ActiveX Scripting技術(shù)為應(yīng)用程序嵌入VBScript引擎或JavaScript引擎提供相應(yīng)的腳本支持,。但是這樣方法靈活性較差,，應(yīng)用程序必須接受現(xiàn)有腳本引擎的體積和性能要求，這對(duì)運(yùn)行在低硬件條件下的應(yīng)用程序,，或者是只要求進(jìn)行簡(jiǎn)單規(guī)則計(jì)算的小型應(yīng)用程序來說,，這種方法在效率上沒有優(yōu)勢(shì)[2]。而且有些現(xiàn)有腳本語(yǔ)言比較難學(xué),，使得用戶把太多時(shí)間花在語(yǔ)言的學(xué)習(xí)上,。因此，需要一個(gè)輕型的腳本引擎,，能夠解釋運(yùn)行一門語(yǔ)法簡(jiǎn)單易學(xué)的腳本語(yǔ)言,，該腳本語(yǔ)言對(duì)于工程應(yīng)用領(lǐng)域的非正式程序員，可以經(jīng)過短時(shí)間的學(xué)習(xí)培訓(xùn)或者不經(jīng)過學(xué)習(xí)就能掌握并使用,。
　針對(duì)以上問題,，本文在自行設(shè)計(jì)的腳本語(yǔ)言Vblet的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了Vblet的輕型腳本引擎,，支持腳本引擎被嵌入在C++實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序上,。Vblet語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)單，繼承了在非專業(yè)程序員中具有較高聲譽(yù)的VBA語(yǔ)言,，并且借鑒了Python語(yǔ)言的部分功能,，使得用戶能夠?qū)Ｗ⒂趩栴}的解決而不是語(yǔ)法的學(xué)習(xí)上。
1 腳本引擎概述
　腳本引擎[3]是一個(gè)加載,、解釋執(zhí)行腳本,，并負(fù)責(zé)與外界進(jìn)行交互的程序。腳本引擎一般很少獨(dú)立存在,，而是要嵌入應(yīng)用程序中以擴(kuò)展應(yīng)用程序的行為,，這個(gè)被嵌入腳本引擎的應(yīng)用程序稱為宿主程序。
　嵌入的腳本引擎如圖1所示,。圖1中,，腳本引擎通過某種交互接口,，根據(jù)腳本源程序描述的邏輯來控制應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)宿主程序和腳本引擎之間的緊密層次不同,，可將通信方式分為：(1)基于二進(jìn)制接口的通信,。(2)基于公共運(yùn)行時(shí)環(huán)境的通信。(3)基于源碼接口的通信,。本文實(shí)現(xiàn)的基于源碼的交互接口,，即通信雙方基于共同的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言，在源代碼級(jí)上相互調(diào)用,。

　除了交互接口,，作為腳本的解釋運(yùn)行平臺(tái)，腳本引擎包含了一個(gè)編譯器前端程序,，前端程序負(fù)責(zé)將腳本源代碼經(jīng)過詞法分析,、語(yǔ)法語(yǔ)義分析后生成字節(jié)碼格式的指令序列，然而這些指令序列是不能在目標(biāo)機(jī)器上執(zhí)行的,。因此,，在腳本引擎的最底層還要一個(gè)執(zhí)行字節(jié)碼指令的程序，這個(gè)程序即稱為虛擬機(jī),。
2 腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)
　在開發(fā)實(shí)現(xiàn)腳本引擎之前,，先要確定引擎要解釋執(zhí)行的對(duì)象，即腳本語(yǔ)言,。本文設(shè)計(jì)的腳本語(yǔ)言Vblet是VBA(Visual Basic for Applications)的子集,，而VBA的語(yǔ)法簡(jiǎn)單易學(xué)，在非專業(yè)程序員中有很大的用戶量,，享有很高的聲譽(yù),。Vblet簡(jiǎn)化了VBA語(yǔ)法，去掉了VBA語(yǔ)法中的一些限制,，此外還根據(jù)需要擴(kuò)展了部分功能,。下面是Vblet不同于VBA的一些重要的語(yǔ)法特性：
　(1)交互執(zhí)行。這是借鑒了Python語(yǔ)言交互執(zhí)行的語(yǔ)法特點(diǎn),，使得程序員可以單行執(zhí)行語(yǔ)句或計(jì)算表達(dá)式,，而不限于一定要把代碼封裝在代碼塊中。
　(2)不需要變量和參數(shù)聲明,。VBlet是動(dòng)態(tài)語(yǔ)言,，變量的類型由腳本引擎從上下文中確定，變量可以不經(jīng)過聲明就可以使用,。
　(3)去掉了部分運(yùn)算符,，比如冒號(hào)運(yùn)算符和逗號(hào)運(yùn)算符。
　為了提高性能,，Vblet去除了VBA中一些庫(kù)函數(shù)的支持,，只保留一些在工程應(yīng)用領(lǐng)域比較常用的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)。
3 腳本引擎實(shí)現(xiàn)方案
　Vblet引擎除了IDE的開發(fā)使用了MFC類庫(kù)之外,，其他模塊的實(shí)現(xiàn)都是使用標(biāo)準(zhǔn)C++編寫的,，這使得Vblet引擎只需要重新編寫IDE，或者修改小部分的核心代碼就能夠移植到其他平臺(tái)上,。
3.1 前端編譯程序的實(shí)現(xiàn)
　前端編譯程序?qū)⒛_本源程序的字符流經(jīng)過詞法分析,、語(yǔ)法分析和語(yǔ)義分析后，生成字節(jié)碼表示的指令流,，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)法檢查,，對(duì)語(yǔ)法錯(cuò)誤給出提示信息。另外,，為了支持?jǐn)帱c(diǎn)調(diào)試和異常信息顯示,，每行源程序和生成的字節(jié)碼指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系也要在這里建立。
　前端編譯器一般可以通過一些自動(dòng)生成工具生成,，但是這些自動(dòng)生成的代碼效率都不夠高或者不好閱讀,，因此本文采用手寫的方式實(shí)現(xiàn)前端編譯程序。前端程序由Scanner類和Compiler類兩大主要模塊組成,。Scanner類主要負(fù)責(zé)源程序的詞法分析,，它根據(jù)規(guī)定的詞法規(guī)則把源程序拆分成詞法單元，并進(jìn)行詞法檢查,。Compiler類則充當(dāng)語(yǔ)法分析,、語(yǔ)義分析和字節(jié)碼生成，而且這三者一步完成,，中間不產(chǎn)生任何數(shù)據(jù),。另外，語(yǔ)法分析和語(yǔ)義分析出現(xiàn)的錯(cuò)誤由類Parse_error負(fù)責(zé)處理,。前端編譯器序列圖如圖2所示,。

　Vblet語(yǔ)法分析采用自頂向下的預(yù)測(cè)分析法，驅(qū)動(dòng)Scanner對(duì)象的token()成員函數(shù)為其產(chǎn)生一個(gè)詞法單元,，當(dāng)需要后退時(shí)使用Scanner對(duì)象的stoken()方法保存一個(gè)不符合當(dāng)前產(chǎn)生式規(guī)則的詞法單元,，以便下一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則的分析。類Compiler只包含一個(gè)public權(quán)限的成員函數(shù)Compile(),，當(dāng)Compile()被調(diào)用時(shí),，將生成的對(duì)應(yīng)編譯單元的字節(jié)碼序列和符號(hào)信息、常量數(shù)據(jù)封裝在ByteCode對(duì)象中,，并返回給被調(diào)用者,。
3.2 虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)
　Vblet虛擬機(jī)是一個(gè)模擬的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，是對(duì)Vblet腳本邏輯做出響應(yīng)的地方,。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同,，虛擬機(jī)分為如下兩種類型：(1)寄存器虛擬機(jī),；(2)堆棧虛擬機(jī)。寄存器虛擬機(jī)具有相對(duì)較高的執(zhí)行效率,，但實(shí)現(xiàn)機(jī)制復(fù)雜,。而堆棧虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)起來則相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是需要付出一定的性能代價(jià),。堆棧虛擬機(jī)由于Java和Python的成功而被證明它在模擬計(jì)算平臺(tái)上的優(yōu)勢(shì)[4-5],。因此，本文也將采用堆棧虛擬機(jī)作為Vblet腳本引擎的計(jì)算平臺(tái),。
　如圖3所示,，除了模擬處理器執(zhí)行字節(jié)碼指令外，Vblet虛擬機(jī)還包含了1個(gè)堆棧和PC,、SP,、FP 3個(gè)寄存器。堆棧是虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)棧,，是函數(shù)調(diào)用和保存中間變量的地方,，是整個(gè)虛擬機(jī)最核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。程序計(jì)數(shù)器寄存器PC是記錄下一條要執(zhí)行指令的序號(hào),；棧頂寄存器SP是在堆棧變化的過程中保存堆棧的頂部位置,；幀指針寄存器FP則相當(dāng)于真實(shí)處理機(jī)的基址寄存器BX，保存當(dāng)前函數(shù)工作棧的棧底位置,。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示了整個(gè)Vblet虛擬機(jī)的運(yùn)行時(shí)環(huán)境,。

　Vblet是一種動(dòng)態(tài)語(yǔ)言，所有數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)值在Vblet虛擬機(jī)中只以一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)VALUE存在,，VALUE的定義如下：
struct VALUE
{
        short int v_type,；//數(shù)據(jù)類型
        union V
        {
            bool v_bool；
            int v_integer,；
            double v_float,；
            string* v_string；//指向字符串類型數(shù)據(jù)
            ARRAY v_array,；
//指向數(shù)組數(shù)據(jù),，ARRAY是封裝VALUE數(shù)組的類
            CODE* v_code；
//指向字節(jié)碼,；CODE是封裝字節(jié)碼的類
            VlExtObject* v_extobj,；
//指向用戶注冊(cè)類的對(duì)象
        } v；
        …//操作VALUE和各種數(shù)據(jù)類型間轉(zhuǎn)換的函數(shù)
}
　在VALUE結(jié)構(gòu)體中,，成員v_type表示了當(dāng)前VALUE對(duì)象保存的數(shù)據(jù)類型,。VALUE不僅封裝了Vblet的所有基本數(shù)據(jù)類型，也封裝了數(shù)組和字節(jié)碼指令流等。實(shí)際上,，虛擬機(jī)的堆棧和SP,、FP寄存器所保存的就是VALUE對(duì)象或是VALUE對(duì)象的引用。
　Vblet虛擬機(jī)在執(zhí)行字節(jié)碼指令的過程中,，要經(jīng)常讀寫堆棧數(shù)據(jù),。因此，為了提高堆棧讀寫操作的速度,，從而提高虛擬機(jī)性能，在實(shí)現(xiàn)過程中,，定義了如下宏來進(jìn)行堆棧操作：
#define PUSH(v)     (*(++sp))=v    //將值v壓入棧頂
#define POP         (--sp)        //彈s出棧頂
#define PUSHN(n)     (sp+=(n)) //將n個(gè)未定義的值壓棧
#define POPN(n)     (sp-=(n))//從棧中彈出n個(gè)元素
#define SP(n)                   (*(sp-(n)))
//取棧頂一個(gè)第n個(gè)元素的值
#define FP(n)                 (*(fp-(n)))
//取幀基地址以下第n個(gè)元素的值
　Vitual虛擬機(jī)指令系統(tǒng)共有16條數(shù)據(jù)傳輸指令,、21條運(yùn)算指令、5條轉(zhuǎn)移指令和5條支持調(diào)試,、異常和錯(cuò)誤處理的指令,，而執(zhí)行指令的機(jī)構(gòu)——處理器則由函數(shù)interpret()來模擬。interpret()函數(shù)從指令序列中逐條取得操作碼指令,，根據(jù)操作碼的不同調(diào)用各自的處理函數(shù),。整個(gè)虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)封裝在VVM類中。
3.3 集成接口的實(shí)現(xiàn)
　腳本引擎的集成接口是指將腳本引擎嵌入應(yīng)用程序中擴(kuò)展后者功能時(shí),，負(fù)責(zé)兩者之間通信的API,。所謂腳本引擎與應(yīng)用程序的通信，是指腳本引擎以動(dòng)態(tài)庫(kù)或靜態(tài)庫(kù)的形式被加載進(jìn)應(yīng)用程序中,，應(yīng)用程序向腳本引擎開放特定的全局函數(shù)和類及其屬性,、方法，使腳本引擎可以調(diào)用這些全局函數(shù),、創(chuàng)建這些類的實(shí)例,，并且通過該實(shí)例實(shí)現(xiàn)屬性的訪問和方法的調(diào)用。
　為了實(shí)現(xiàn)全局函數(shù)和類的注冊(cè),，需要一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示注冊(cè)對(duì)象的信息,，以便腳本引擎能夠識(shí)別并使用注冊(cè)對(duì)象。相對(duì)來說,，描述函數(shù)的信息比較簡(jiǎn)單,，只需要一個(gè)函數(shù)名和一個(gè)函數(shù)指針，函數(shù)指針的定義如下：
　#define VALUE(*extfuncptr)(ARRAY)
　可見,，extfuncptr是指向以VALUE數(shù)組為參數(shù),、返回一個(gè)VALUE值的函數(shù)，extfuncptr函數(shù)指針統(tǒng)一了參數(shù)類型,、個(gè)數(shù)和返回值類型不同的所有函數(shù)聲明,。因此，需要把用一個(gè)能夠被extfuncptr指向的全局函數(shù)將注冊(cè)函數(shù)“包裝”起來。在包裝函數(shù)中,，需要將Vblet腳本傳遞過來的VALUE參數(shù)轉(zhuǎn)換為C++數(shù)據(jù)類型的參數(shù),，并調(diào)用注冊(cè)函數(shù)取得C++數(shù)據(jù)類型的返回值，再將返回值轉(zhuǎn)換成VALUE值返回給腳本引擎,。
　一個(gè)類的類信息包括類名,、大小、初始化函數(shù)指針,、類注冊(cè)的方法和屬性,，用結(jié)構(gòu)體VLEXTCLASSINFO表示，如圖4所示,。

　此外,，還需要一些機(jī)制使得腳本引擎能夠引用腳本創(chuàng)建的注冊(cè)類的實(shí)例對(duì)象。把這個(gè)表示所有注冊(cè)類對(duì)象的“始祖”稱為VlExtObject,。VlExtObject包含一個(gè)表示引用計(jì)數(shù)的成員變量refcnt和兩個(gè)純虛函數(shù)GetExtClassInfo()和RegisterConstructor(),。任何應(yīng)用程序需要向腳本引擎注冊(cè)的自定義類都必須繼承自類VlExtObject，每個(gè)注冊(cè)類包含一個(gè)靜態(tài)的VLEXTCLASSINFO實(shí)例,，函數(shù)GetExtClassInfo()返回該VLEXTCLASSINFO實(shí)例,，函數(shù)RegisterConstructor()將向該VLEXTCLASSINFO實(shí)例指定類實(shí)例的初始化函數(shù)——構(gòu)造器的包裝函數(shù)。此外,，應(yīng)用程序注冊(cè)類還可以有自己的函數(shù)來向VLEXTCLASSINFO實(shí)例對(duì)象添加自己的方法和屬性,。在腳本引擎內(nèi)部，通過使用指針來操作注冊(cè)類的實(shí)例,。因此,，在腳本中當(dāng)這樣的對(duì)象被復(fù)制時(shí)，實(shí)際上復(fù)制的是對(duì)象的指針,，并且該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)refcnt加1,，而當(dāng)對(duì)象的引用在腳本中離開其作用域時(shí)，并不立即銷毀對(duì)象,，而是將refcnt減1后如果為零才會(huì)使用delete將其銷毀,。
　整個(gè)腳本引擎被封裝成單件模式的CVbletEngine類中，該類包含了腳本引擎的啟動(dòng),、初始化,、腳本的運(yùn)行和停止等操作。CVbletEngine和集成接口的聲明對(duì)應(yīng)用程序可見,，而集成接口始終與腳本引擎的虛擬機(jī)部分連接,，在虛擬機(jī)指令集足夠完善的情況下，前端編譯器和集成接口的分離使得前端編譯器對(duì)應(yīng)用程序是透明的,，這樣,，當(dāng)需要增加腳本功能的時(shí)候，應(yīng)用程序可以不做修改。
4 與Python的性能比較
　為了測(cè)試Vblet腳本引擎是否達(dá)到輕量級(jí)的要求,，在Intel 586 PC機(jī)上用該腳本引擎解釋執(zhí)行如下這段Vblet腳本代碼：
function main(void)
  i=0
  a=121
  b=212
  while i<100000000
      a=a+b
      a=a-b
      a=a*b
      a=a/b
      i=i+1
  ewhile
end funtion
　同時(shí)在同一平臺(tái)上用Cpython2.6解釋執(zhí)行對(duì)應(yīng)的Python程序,，最后通過對(duì)兩者的初始化時(shí)間、編譯時(shí)間,、運(yùn)行時(shí)間,、內(nèi)存使用量和生成字節(jié)碼個(gè)數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示,。

　從表1可以看出,，雖然Vblet的編譯時(shí)間高于CPython，但是初始化時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Cpython,。這是因?yàn)镻ython包含了強(qiáng)大的功能模塊,，引擎運(yùn)行前需要加載這些模塊，并初始化復(fù)雜的運(yùn)行時(shí)環(huán)境和類型環(huán)境,。另外，由于Vblet的類型機(jī)制比Python簡(jiǎn)單,，虛擬機(jī)在數(shù)據(jù)的存取上比CPython更快,，即使生成的字節(jié)碼個(gè)數(shù)略多于CPython，也能達(dá)到更優(yōu)的運(yùn)行時(shí)間,。再加上Vblet在內(nèi)存上的優(yōu)勢(shì),，表明Vblet完全可以作為一個(gè)輕型的腳本引擎嵌入在應(yīng)用程序中。
　基于嵌入或擴(kuò)展腳本的混合語(yǔ)言編程是實(shí)現(xiàn)可定制工程應(yīng)用系統(tǒng)的有效方法,。本文通過借鑒VBA和Python的語(yǔ)法特點(diǎn)設(shè)計(jì)了語(yǔ)法簡(jiǎn)單易學(xué)的腳本語(yǔ)言Vblet,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Vblet的基于堆棧虛擬機(jī)的輕量級(jí)腳本引擎。測(cè)試結(jié)果表明,，腳本引擎能夠正確運(yùn)行Vblet代碼,，占有較小的內(nèi)存空間，在進(jìn)行簡(jiǎn)單的規(guī)則計(jì)算時(shí)具有明顯的執(zhí)行效率,。同時(shí),，腳本引擎對(duì)被嵌入C++應(yīng)用程序的支持，使得腳本能夠透明地使用應(yīng)用程序注冊(cè)的類和函數(shù),，從而達(dá)到增強(qiáng)應(yīng)用系統(tǒng)靈活性,、可定制性和擴(kuò)展性的目的。
參考文獻(xiàn)
[1] JOHN K. Ousterhout scripting： higher-level programming for the 21st century[J]． IEEE Computer Magazine,，1998,，31(3).
[2] XIE Q， LIU J,， CHOU P H． Tapper： a lightweight scripting engine for highly constrained wireless sensor nodes[C]．Information Processing in Sensor Networks,， 2006. IPSN 2006. The Fifth International Conference on， 2006：342-349.
[3] Alex Varanese．Game Scripting Mastery[M]. Premier Press，2003.
[4] LINDHOLM T,， YELLIN F． Java virtual machine specification[M]．Boston,， MA， USA：Addison-Wesley Longman Publishing Co.,， Inc,，1999.
[5] ALFRED R S， AHO V,， JEFFREY D. Ullman． compilers： principles,， techniques， and tools[M]． 2rd． Boston： Pearson/Addison Wesley,， 2007.