摘要:目錄前言問題的提出模板引擎和結(jié)合的實現(xiàn)編譯原理相關(guān)模版引擎的詞法分析語法分析與抽象語法樹代碼生成完整的結(jié)語前言本文嘗試構(gòu)建一個前端模板引擎,并且把這個引擎和進(jìn)行結(jié)合。于是就構(gòu)思了一個方案,在前端模板引擎上做手腳。
目錄作者:戴嘉華
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前言
問題的提出
模板引擎和 Virtual-DOM 結(jié)合 —— Virtual-Template
Virtual-Template 的實現(xiàn)
4.1 編譯原理相關(guān)
4.2 模版引擎的EBNF
4.3 詞法分析
4.4 語法分析與抽象語法樹
4.5 代碼生成
完整的 Virtual-Template
結(jié)語
1. 前言本文嘗試構(gòu)建一個 Web 前端模板引擎,并且把這個引擎和 Virtual-DOM 進(jìn)行結(jié)合。把傳統(tǒng)模板引擎編譯成 HTML 字符串的方式改進(jìn)為編譯成 Virtual-DOM 的 render 函數(shù),可以有效地結(jié)合模板引擎的便利性和 Virtual-DOM 的性能。類似 ReactJS 中的 JSX。
閱讀本文需要一些關(guān)于 ReactJS 實現(xiàn)原理或者 Virtual-DOM 的相關(guān)知識,可以先閱讀這篇博客:深度剖析:如何實現(xiàn)一個 Virtual DOM 算法 , 進(jìn)行相關(guān)知識的了解。
同時還需要對編譯原理相關(guān)知識有基本的了解,包括 EBNF,LL(1),遞歸下降的方法等。
2. 問題的提出本人在就職的公司維護(hù)一個比較樸素的系統(tǒng),前端渲染有兩種方式:
后臺直接根據(jù)模板和數(shù)據(jù)直接把頁面吐到前端。
后臺只吐數(shù)據(jù),前端用前端模板引擎渲染數(shù)據(jù),動態(tài)塞到頁面。
當(dāng)數(shù)據(jù)狀態(tài)變更的時候,前端用 jQuery 修改頁面元素狀態(tài),或者把局部界面用模板引擎重新渲染一遍。當(dāng)頁面狀態(tài)很多的時候,用 jQuery 代碼中會就混雜著很多的 DOM 操作,編碼復(fù)雜且不便于維護(hù);而重新渲染雖然省事,但是會導(dǎo)致一些性能、焦點消失的問題(具體可以看這篇博客介紹)。
因為習(xí)慣了 MVVM 數(shù)據(jù)綁定的編碼方式,對于用 jQuery 選擇器修改 wordings 等細(xì)枝末節(jié)的勞力操作個人感覺不甚習(xí)慣。于是就構(gòu)思能否在這種樸素的編碼方式上做一些改進(jìn),解放雙手,提升開發(fā)效率。其實只要加入數(shù)據(jù)狀態(tài) -> 視圖的 one-way data-binding 開發(fā)效率就會有較大的提升。
而這種已經(jīng)在運作多年的多人維護(hù)系統(tǒng),引入新的 MVVM 框架并不是一個非常好的選擇,在兼容性和風(fēng)險規(guī)避上大家都有諸多的考慮。于是就構(gòu)思了一個方案,在前端模板引擎上做手腳。可以在幾乎零學(xué)習(xí)成本的情況下,做到 one-way data-binding,大量減少 jQuery DOM 操作,提升開發(fā)效率。
3. 模板引擎和 Virtual-DOM 結(jié)合 —— Virtual-Template考慮以下模板語法:
{title}
{each users as user i}
- NO.{i + 1} - {user.name} {if user.isAdmin} I am admin {elseif user.isAuthor} I am author {else} I am nobody {/if}
{/each}
這只一個普通的模板引擎語法(類似 artTemplate),支持循環(huán)語句(each)、條件語句(if elseif else ..)、和文本填充({...}), 應(yīng)該比較容易看懂,這里就不解釋。當(dāng)用下面數(shù)據(jù)渲染該模板的時候:
var data = { title: "Users List", users: [ {id: "user0", name: "Jerry", isAdmin: true}, {id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true}, {id: "user2", name: "Tomy"} ] }
會得到下面的 HTML 字符串:
Users List
- NO.1 - Jerry I am admin
- NO.2 - Lucy I am author
- NO.3 - Tomy I am nobody
把這個字符串塞入文檔當(dāng)中就可以生成 DOM 。但是問題是如果數(shù)據(jù)變更了,例如data.title由Users List修改成Users,你只能用 jQuery 修改 DOM 或者直接重新渲染一個新的字符串塞入文檔當(dāng)中。
然而我們可以參考 ReactJS 的 JSX 的做法,不把模板編譯成 HTML, 而是把模板編譯成一個返回 Virtual-DOM 的 render 函數(shù)。render 函數(shù)會根據(jù)傳入的 state 不同返回不一樣的 Virtual-DOM ,然后就可以根據(jù) Virtual-DOM 算法進(jìn)行 diff 和 patch:
// setup codes // ... var render = template(tplString) // template 把模板編譯成 render 函數(shù)而不是 HTML 字符串 var root1 = render(state1) // 根據(jù)初始狀態(tài)返回的 virtual-dom var dom = root.render() // 根據(jù) virtual-dom 構(gòu)建一個真正的 dom 元素 document.body.appendChild(dom) var root2 = render(state2) // 狀態(tài)變更,重新渲染另外一個 virtual-dom var patches = diff(root1, root2) // virtual-dom 的 diff 算法 patch(dom, patches) // 更新真正的 dom 元素
這樣做好處就是:既保留了原來模板引擎的語法,又結(jié)合了 Virtual-DOM 特性:當(dāng)狀態(tài)改變的時候不再需要 jQuery 了,而是跑一遍 Virtual-DOM 算法把真正的 DOM 給patch了,達(dá)到了 one-way data-binding 的效果,總結(jié)流程就是:
先把模板編譯成一個 render 函數(shù),這個函數(shù)會根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)返回 Virtual-DOM
用 render 函數(shù)構(gòu)建 Virtual-DOM;并根據(jù)這個 Virtual-DOM 構(gòu)建真正的 DOM 元素,塞入文檔當(dāng)中
當(dāng)數(shù)據(jù)變更的時候,再用 render 函數(shù)渲染一個新的 Virtual-DOM
新舊的 Virtual-DOM 進(jìn)行 diff,然后 patch 已經(jīng)在文檔中的 DOM 元素
(恩,其實就是一個類似于 JSX 的東西)
這里重點就是,如何能把模板語法編譯成一個能夠返回 Virtual-DOM 的 render 函數(shù)?例如上面的模板引擎,不再返回 HTML 字符串了,而是返回一個像下面那樣的 render 函數(shù):
function render (state) { return el("div", {}, [ el("h1", {}, [state.title]), el("ul", {}, state.users.map(function (user, i) { return el("li", {"class": "user-item"}, [ el("img", {"src": "/avatars/" + user.id}, []), el("span", {}, ["No." + (i + 1) + " - " + user.name], (user.isAdmin ? "I am admin" : uesr.isAuthor ? "I am author" : "") ]) })) ]) }
前面的模板和這個 render 函數(shù)在語義上是一樣的,只要能夠?qū)崿F(xiàn)“模板 -> render 函數(shù)”這個轉(zhuǎn)換,就可以跑上面所說的 Virtual-DOM 的算法流程,這樣就把模板引擎和 Virtual-DOM結(jié)合起來。為了方便起見,這里把這個結(jié)合體稱為 Virtual-Template 。
4. Virtual-Template 的實現(xiàn)網(wǎng)上關(guān)于模板引擎的實現(xiàn)原理介紹非常多。如果語法不是太復(fù)雜的話,可以直接通過對語法標(biāo)簽和代碼片段進(jìn)行分割,識別語法標(biāo)簽內(nèi)的內(nèi)容(循環(huán)、條件語句)然后拼裝代碼,具體可以參考這篇博客。其實就是正則表達(dá)式使用和字符串的操作,不需要對語法標(biāo)簽以外的內(nèi)容做識別。
但是對于和 HTML 語法已經(jīng)差別較大的模板語法(例如 Jade ),單純的正則和字符串操作已經(jīng)不夠用了,因為其語法標(biāo)簽以外的代碼片段根本不是合法的 HTML 。這種情況下一般需要編譯器相關(guān)知識發(fā)揮用途:模板引擎本質(zhì)上就是把一種語言編譯成另外一種語言。
而對于 Virtual-Template 的情況,雖然其除了語法標(biāo)簽以外的代碼都是合法的 HTML 字符串,但是我們的目的是把它編譯成返回 Virtual-DOM 的 render 函數(shù),在構(gòu)建 Virtual-DOM 的時候,你需要知道元素的 tagName、屬性等信息,所以就需要對 HTML 元素本身做識別。
因此 Virtual-Template 也需要借助編譯原理(編譯器前端)相關(guān)的知識,把一種語言(模板語法)編譯成另外一種語言(一個叫 render 的 JavaScript 函數(shù))。
4.1 編譯原理相關(guān)CS 本科都教過編譯原理,本文會用到編譯器前端的一些概念。在實現(xiàn)模板到 render 函數(shù)的過程中,要經(jīng)過幾個步驟:
詞法分析:把輸入的模板分割成詞法單元(tokens stream)
語法分析:讀入 tokens stream ,根據(jù)文法規(guī)則轉(zhuǎn)化成抽象語法樹(Abstract Syntax Tree)
代碼生成:遍歷 AST,生成 render 函數(shù)體代碼
所以這個過程可以分成幾個主要模塊:tokenizer(詞法分析器),parser(語法分析器),codegen(代碼生成)。在此之前,還需要對模板的語法做文法定義,這是構(gòu)建詞法分析和語法分析的基礎(chǔ)。
4.2 模板引擎的 EBNF在計算機(jī)領(lǐng)域,對某種語言進(jìn)行語法定義的時候,幾乎都會用到 EBNF(擴(kuò)展的巴科斯范式)。在定義模板引擎的語法的時候,也可以用到 EBNF。Virtual-Template 擁有非常簡單的語法規(guī)則,支持上面所提到的 each、if 等語法:
{each users as user i }{user.name}... {/each} {if user.isAdmin} ... {elseif user.isAuthor} ... {elseif user.isXXX} ... {/if}
對于 {user.name} 這樣的表達(dá)式插入,可以簡單地看成是字符串,在代碼生成的時候再做處理。這樣我們的詞法和語法分析就會簡化很多,基本只需要對 each、if、HTML 元素進(jìn)行處理。
Virtual-Template 的 EBNF:
Stat -> Frag Stat | ε Frag -> IfStat | EachStat | Node | text IfStat -> "{if ...}" Stat {ElseIf} [Else] "{/if}" ElseIf -> "{elseif ...}" Stat Else -> "{else}" Stat|e EachStat -> "{each ...}" Stat "{/each}" Node -> OpenTag NodeTail OpenTag -> "/[w-d]+/" {Attr} NodeTail -> ">" Stat "/<[wd]+>/" | "/>" Attr -> "/[w-d]/+" Value Value -> "=" "/"[sS]+"/" | ε
可以把該文法轉(zhuǎn)換成 LL(1) 文法,方便我們寫遞歸下降的 parser。這個語法還是比較簡單的,沒有出現(xiàn)復(fù)雜的左遞歸情況。簡單進(jìn)行展開和提取左公因子消除沖突獲得下面的 LL(1) 文法。
LL(1) 文法:
Stat -> Frag Stat | ε Frag -> IfStat | EachStat | Node | text IfStat -> "{if ...}" Stat ElseIfs Else "{/if}" ElseIfs -> ElseIf ElseIfs | ε ElseIf -> "{elseif ...}" Stat Else -> "{else}" Stat | ε EachStat -> "{each ...}" Stat "{/each}" Node -> OpenTag NodeTail OpenTag -> "/[w-d]+/" Attrs NodeTail -> ">" Stat "/<[wd]+>/" | "/>" Attrs -> Attr Attrs | ε Attr -> "/[w-d]/+" Value Value -> "=" "/"[sS]+"/" | ε4.3 詞法分析
根據(jù)上面獲得的 EBNF ,單引號包含的都是非終結(jié)符,可以知道有以下幾種詞法單元:
module.exports = { TK_TEXT: 1, // 文本節(jié)點 TK_IF: 2, // {if ...} TK_END_IF: 3, // {/if} TK_ELSE_IF: 4, // {elseif ...} TK_ELSE: 5, // {else} TK_EACH: 6, // {each ...} TK_END_EACH: 7, // {/each} TK_GT: 8, // > TK_SLASH_GT: 9, // /> TK_TAG_NAME: 10, //4.4 語法分析與抽象語法樹" } { type: 1, label: "NO." } { type: 1, label: "{i + 1} - " } { type: 1, label: "{user.name}" } { type: 13, label: "" } { type: 2, label: "{if user.isAdmin}" } { type: 1, label: "I am admin " } { type: 4, label: "{elseif user.isAuthor}" } { type: 1, label: "I am author " } { type: 5, label: "{else}" } { type: 1, label: "I am nobody " } { type: 3, label: "{/if}" } { type: 13, label: "" } { type: 7, label: "{/each}" } { type: 13, label: "" } { type: 13, label: "" } { type: 100, label: "$" }
拿到 tokens 以后就可以就可以按順序讀取 token,根據(jù)模板的 LL(1) 文法進(jìn)行語法分析。語法分析器,也就是 parser,一般可以采取遞歸下降的方式來進(jìn)行編寫。LL(1) 不允許語法中有沖突( conflicts ),需要對文法中的產(chǎn)生式求解 FIRST 和 FOLLOW 集。
FIRST(Stat) = {TK_IF, TK_EACH, TK_TAG_NAME, TK_TEXT} FOLLOW(Stat) = {TK_ELSE_IF, TK_END_IF, TK_ELSE, TK_END_EACH, TK_CLOSE_TAG, TK_EOF} FIRST(Frag) = {TK_IF, TK_EACH, TK_TAG_NAME, TK_TEXT} FIRST(IfStat) = {TK_IF} FIRST(ElseIfs) = {TK_ELSE_IF} FOLLOW(ElseIfs) = {TK_ELSE, TK_ELSE} FIRST(ElseIf) = {TK_ELSE_IF} FIRST(Else) = {TK_ELSE} FOLLOW(Else) = {TK_END_IF} FIRST(EachStat) = {TK_EACH} FIRST(OpenTag) = {TK_TAG_NAME} FIRST(NodeTail) = {TK_GT, TK_SLASH_GT} FIRST(Attrs) = {TK_ATTR_NAME} FOLLOW(Attrs) = {TK_GT, TK_SLASH_GT} FIRST(Value) = {TK_ATTR_EQUAL} FOLLOW(Value) = {TK_ATTR_NAME, TK_GT, TK_SLASH_GT}
上面只求出了一些必要的 FIRST 和 FOLLOW 集,對于一些不需要預(yù)測的產(chǎn)生式就省略求解了。有了 FIRST 和 FOLLOW 集,剩下的編寫遞歸下降的 parser 只是填空式的體力活。
var Tokenizer = require("./tokenizer") var types = require("./tokentypes") function Parser (input) { this.tokens = new Tokenizer(input) this.parse() } var pp = Parser.prototype pp.is = function (type) { return (this.tokens.peekToken().type === type) } pp.parse = function () { this.tokens.index = 0 this.parseStat() this.eat(types.TK_EOF) } pp.parseStat = function () { if ( this.is(types.TK_IF) || this.is(types.TK_EACH) || this.is(types.TK_TAG_NAME) || this.is(types.TK_TEXT) ) { this.parseFrag() this.parseStat() } else { // end } } pp.parseFrag = function () { if (this.is(types.TK_IF)) return this.parseIfStat() else if (this.is(types.TK_EACH)) return this.parseEachStat() else if (this.is(types.TK_TAG_NAME)) return this.parseNode() else if (this.is(types.TK_TEXT)) { var token = this.eat(types.TK_TEXT) return token.label } else { this.parseError("parseFrag") } } // ...
完整的 parser 可以查看 parser.js。
抽象語法樹(Abstract Syntax Tree)遞歸下降進(jìn)行語法分析的時候,可以同時構(gòu)建模版語法的樹狀表示結(jié)構(gòu)——抽象語法樹,模板語法有以下的抽象語法樹的節(jié)點類型:
Stat: { type: "Stat" members: [IfStat | EachStat | Node | text, ...] } IfStat: { type: "IfStat" label:, body: Stat elifs: [ElseIf, ...] elsebody: Stat } ElseIf: { type: "ElseIf" label: , body: Stat } EachStat: { type: "EachStat" label: , body: Stat } Node: { type: "Node" name: , attributes:
因為 JavaScript 語法的靈活性,可以用字面量的 JavaScript 對象和數(shù)組直接表示語法樹的樹狀結(jié)構(gòu)。語法樹構(gòu)的建過程可以在語法分析階段同時進(jìn)行。最后,可以獲取到如下圖的語法樹結(jié)構(gòu):
完整的語法樹構(gòu)建過程,可以查看 parser.js 。
從模版字符串到 tokens stream 再到 AST ,這個過程只需要對文本進(jìn)行一次掃描,整個算法的時間復(fù)雜度為 O(n)。
至此,Virtual-Template 的編譯器前端已經(jīng)完成了。
4.5 代碼生成JavaScript 從字符串中構(gòu)建一個新的函數(shù)可以直接用 new Function 即可。例如:
var newFunc = new Function("a", "b", "return a + b") newFunc(1, 2) // => 3
這里需要通過語法樹來還原 render 函數(shù)的函數(shù)體的內(nèi)容,也就是 new Function 的第三個參數(shù)。
拿到模版語法的抽象語法樹以后,生成相應(yīng)的 JavaScript 函數(shù)代碼就很好辦了。只需要地對生成的 AST 進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷,遍歷的同時維護(hù)一個數(shù)組,這個數(shù)組保存著 render 函數(shù)的每一行的代碼:
function CodeGen (ast) { this.lines = [] this.walk(ast) this.body = this.lines.join(" ") } var pp = CodeGen.prototype pp.walk = function (node) { if (node.type === "IfStat") { this.genIfStat(node) } else if (node.type === "Stat") { this.genStat(node) } else if (node.type === "EachStat") { ... } ... } pp.genIfStat = function (node) { var expr = node.label.replace(/(^{s*ifs*)|(s*}$)/g, "") this.lines.push("if (" + expr + ") {") if (node.body) { this.walk(node.body) } if (node.elseifs) { var self = this _.each(node.elseifs, function (elseif) { self.walk(elseif) }) } if (node.elsebody) { this.lines.push(indent + "} else {") this.walk(node.elsebody) } this.lines.push("}") } // ...
CodeGen 類接受已經(jīng)生成的 AST 的根節(jié)點,然后 this.walk(ast) 會對不同的節(jié)點類型進(jìn)行解析。例如對于 IfStat 類型的節(jié)點:
{ type: "IfStat", label: "{if user.isAdmin}" body: {...} elseifs: [{...}, {...}, {...}], elsebody: {...} }
genIfStat 會把 "{if user.isAdmin}" 中的 user.isAdmin 抽離出來,然后拼接 JavaScript 的 if 語句,push 到 this.lines 中:
var expr = node.label.replace(/(^{s*ifs*)|(s*}$)/g, "") this.lines.push("if (" + expr + ") {")
然后會遞歸的對 elseifs 和 elsebody 進(jìn)行遍歷和解析,最后給 if 語句補上 }。所以如果 elseifs 和 elsebody 都不存在,this.lines 上就會有:
["if (user.isAdmin) {", , "}"]
其它的結(jié)構(gòu)和 IfStat 同理的解析和拼接方式,例如 EachStat:
pp.genEachStat = function (node) { var expr = node.label.replace(/(^{s*eachs*)|(s*}$)/g, "") var tokens = expr.split(/s+/) var list = tokens[0] var item = tokens[2] var key = tokens[3] this.lines.push( "for (var " + key + " = 0, len = " + list + ".length; " + key + " < len; " + key + "++) {" ) this.lines.push("var " + item + " = " + list + "[" + key + "];") if (node.body) { this.walk(node.body) } this.lines.push("}") }
最后遞歸構(gòu)造完成以后,this.lines.join(" ") 就把整個函數(shù)的體構(gòu)建起來:
if (user.isAdmin) { ... } for (var ...) { ... }
這時候 render 函數(shù)的函數(shù)體就有了,直接通過 new Function 構(gòu)建 render 函數(shù):
var code = new CodeGen(ast) var render = new Function("el", "data", code.body)
el 是需要注入的構(gòu)建 Virtual-DOM 的構(gòu)建函數(shù),data 需要渲染的數(shù)據(jù)狀態(tài):
var svd = require("simple-virtual-dom") var root = render(svd.el, {users: [{isAdmin: true}]})
從模版 -> Virtual-DOM 的 render 函數(shù) -> Virtual-DOM 的過程就完成了。完整的代碼生成的過程可以參考:codegen.js
5. 完整的 Virtual-Template其實拿到 render 函數(shù)以后,每次手動進(jìn)行 diff 和 patch 都是重復(fù)操作。可以把 diff 和 patch 也封裝起來,只暴露一個 setData 的 API 。每次數(shù)據(jù)變更的時候,只需要 setData 就可以更新到 DOM 元素上(就像 ReactJS 的 setState):
// vTemplate.compile 編譯模版字符串,返回一個函數(shù) var usersListTpl = vTemplate.compile(tplStr) // userListTpl 傳入初始數(shù)據(jù)狀態(tài),返回一個實例 var usersList = usersListTpl({ title: "Users List", users: [ {id: "user0", name: "Jerry", isAdmin: true}, {id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true}, {id: "user2", name: "Tomy"} ] }) // 返回的實例有 dom 元素和一個 setData 的 API document.appendChild(usersList.dom) // 需要變更數(shù)據(jù)的時候,setData 一下即可 usersList.setData({ title: "Users", users: [ {id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true}, {id: "user2", name: "Tomy"} ] })
完整的 Virtual-Template 源碼托管在 github 。
6. 結(jié)語這個過程其實和 ReactJS 的 JSX 差不多。就拿 Babel 的 JSX 語法實現(xiàn)而言,它的 parser 叫 babylon。而 babylon 基于一個叫 acorn 的 JavaScript 編寫的 JavaScript 解釋器和它的 JSX 插件 acorn-jsx。其實就是利用 acorn 把文本分割成 tokens,而 JSX 語法分析部分由 acorn-jsx 完成。
Virtual-Template 還不能應(yīng)用于實際的生產(chǎn)環(huán)境,需要完善的東西還有很多。本文記錄基本的分析和實現(xiàn)的過程,也有助于更好地理解和學(xué)習(xí) ReactJS 的實現(xiàn)。
(全文完)
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摘要:本文所實現(xiàn)的完整代碼存放在。這就是所謂的算法。兩個樹的完全的算法是一個時間復(fù)雜度為的問題。如果有差異的話就記錄到一個對象里面。如和的不同,會被所替代。這牽涉到兩個列表的對比算法,需要另外起一個小節(jié)來討論。 作者:戴嘉華 轉(zhuǎn)載請注明出處并保留原文鏈接( https://github.com/livoras/blog/issues/13 )和作者信息。 目錄: 1 前言 2 對前端應(yīng)用狀...
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