java脚本引擎的设计原理浅析

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：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

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);

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)

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: 墙辉、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。

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。