手寫程式語言-遞迴函式是如何實現的？

前言

本篇文章主要是記錄一下在 GScript 中實現遞迴呼叫時所遇到的坑，類似的問題在中文網際網路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：

• 支援可變引數
• 優化append 函式語義
• 優化編譯錯誤資訊
• 最後一個就是支援遞迴呼叫

先看第一個可變引數：

printf(string format, any ...a){}
string sprintf(string format, any ...a){}

以上是隨著本次更新新增的兩個標準函式，均支援可變引數，其中使用 ... 表示可變引數，呼叫時如下：

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，可變引數本質上就是一個數組，所以可以拿來迴圈遍歷：

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);

append(any[] a, any v){}

之後是優化了內建函式 append() 的語義，本次優化來自於 issue12 的建議：http://github.com/crossoverJie/gscript/issues/12。

int[] a={1,2,3};
println(a);
println();
a = append(a,4);
println(a);
int[] a={1,2,3};
println(a);
println();
append(a,4);
int b = a[3];
assertEqual(4, b);
println(a);

現在 append 之後不需要再重新賦值，也會追加資料，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資訊提示，比如下面這段程式碼：

a+2;
b+c;

使用沒有宣告的變數，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{}
2:0: class T redeclared in this block

重複宣告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，也就是遞迴函式的支援。

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); 這行程式碼是不會執行的，具體原因後文會分析。

現在利用遞迴便可以實現類似於列印楊輝三角之類的程式了：

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;   
 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);
      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

函式中的 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程式碼為什麼執行完 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式 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，只是這裡是遞迴而已。

先把程式碼簡化一下方便分析：

int f1(int a){
 if (a==10){
  return 10;
 }
 println("abc");
}

當引數 a 等於 10 的時候確實不能執行後續的列印語句了，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式直接返回，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 語句不執行後續程式碼。

部分實現程式碼如下：

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)
 }
}

原始碼地址：http://github.com/crossoverJie/gscript/blob/793d196244416574bd6be641534742e57c54db7a/visitor.go#L182。

遞迴的問題

但同時問題也來了，就是遞迴的時候也不會執行後續的遞迴程式碼了。

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 中不存在遞迴呼叫。

所以我們就得先知道這個 block 中是否存在遞迴呼叫。

整個過程有以下幾步：

• 編譯期：在函式宣告處記錄下函式與當前context 的對映關係。
• 編譯期：掃描statement 時，取出該 statement 的 context 所對應的函式。
• 編譯期：掃描到的statement 如果是一個函式呼叫，則判斷該函式是否為該 block 中的函式，也就是第二步取出的函式。
• 編譯期：如果兩個函式相等，則將當前block 標記為遞迴呼叫。
• 執行期：在剛才判斷return 語句處，額外多出判斷當前 block 是否為遞迴呼叫，如果是則不能返回。

部分程式碼如下：

http://github.com/crossoverJie/gscript/blob/3e179f27cb30ca5c3af57b3fbf2e46075baa266b/resolver/ref_resolver.go#L70。

總結

這裡的遞迴呼叫其實卡了我挺長時間的，思路是有的，但是寫出來的程式碼總是和預期不符，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。

最後是目前的遞迴在某些情況下效能還有些問題，後續會盡量將這些標記過程都放在編譯期，編譯慢點沒事，但執行時慢那就有問題了。

之後還會繼續優化執行時的異常，目前是直接 ​ ​panic​ ​，堆疊也沒有，體感非常不好；歡迎感興趣的朋友試用反饋bug。