转载

代码生成技术初探（一）表达式编译

代码生成（Code Generation）技术广泛应用于现代的数据系统中。代码生成是将用户输入的表达式、查询、存储过程等现场编译成二进制代码再执行，相比解释执行的方式，运行效率要高得多。尤其是对于计算密集型查询、或频繁重复使用的计算过程，运用代码生成技术能达到数十倍的性能提升。

当我们谈论代码生成时我们在谈论什么

很多大数据产品都将代码生成技术作为卖点，然而事实上他们往往谈论的不是一件事情。比如，之前就有人提问：Spark 1.x 就已经有代码生成技术，为什么 Spark 2.0 又把代码生成吹了一番？其中的原因在于，虽然都是代码生成，但是各个产品生成代码的粒度是不同的：

最简单的，例如 Spark 1.4，使用代码生成技术加速 表达式计算 ；
Spark 2.0 支持将同一个 Stage 的 多个算子组合编译 成一段二进制；
更有甚者，支持将 自定义函数、存储过程 等编译成一段二进制，例如 SQL Server。

代码生成技术初探（一）表达式编译

本文主要讲上面最简单的表达式编译。让我们通过一个简单的例子，初步了解代码生成的流程。

解析执行的缺陷

在讲代码生成之前，我们回顾一下解释执行。以上面图中的表达式 $X /times 5 + /log (10)$ 为例，计算过程是一个深度优先搜索（DFS）的过程：

调用根节点 + 的 visit() 函数：分别调用左、右子节点的 visit() 再相加；
调用乘法节点 * 的 visit() 函数：分别调用左、右子节点的 visit() 再相乘；
调用变量节点 X 的 visit() 函数：从环境中读取 $X$ 的值以及类型。

（……略）最终，DFS 回到根节点，得到最终结果。

@Override public Object visitPlus(CalculatorParser.PlusContext ctx) {
    Object left = visit(ctx.plusOrMinus());
    Object right = visit(ctx.multOrDiv());
    if (left instanceof Long && right instanceof Long) {
        return (Long) left + (Long) right;
    } else if (left instanceof Long && right instanceof Double) {
        return (Long) left + (Double) right;
    } else if (left instanceof Double && right instanceof Long) {
        return (Double) left + (Long) right;
    } else if (left instanceof Double && right instanceof Double) {
        return (Double) left + (Double) right;
    }
    throw new IllegalArgumentException();
}

上述过程中有几个显而易见的性能问题：

涉及到大量的 虚函数调用 、即函数绑定的过程，例如 visit() 函数；
在计算之前不能确定类型，因而各个算子的实现中会出现很多 动态类型判断 ，例如：如果 + 左边是 DECIMAL 类型，而右边是 DOUBLE，需要先把左边转换成 DOUBLE 再相加；
递归中的 函数调用打断了计算过程 ，不仅调用本身需要额外的指令，而且函数调用传参是通过栈完成的，不能很好的利用寄存器（这一点在现代的编译器和硬件体系中已经有所缓解，但显然比不上连续的计算指令）。

代码生成基本过程

代码生成执行，顾名思义，最核心的部分是生成出我们需要的执行代码。

拜编译器所赐，我们并不需要写难懂的汇编或字节码。在 native 程序中，通常用 LLVM 的中间语言（IR）作为生成代码的语言。而 JVM 上更简单，因为 Java 编译本身很快，利用运行在 JVM 上的轻量级编译器 janino，我们可以直接生成 Java 代码。

无论是 LLVM IR 还是 Java 都是静态类型的语言，在生成的代码中再去判断类型显然不是个明智的选择。 通常的做法是在编译之前就确定所有值的类型 。幸运的是，表达式和 SQL 执行计划都可以事先做类型推导。

所以，综上所述，代码生成往往是个 2-pass 的过程： 先做类型推导，再做真正的代码生成 。第一步中，类型推导的同时其实也是在检查表达式是否合法，因此很多地方也称之为 验证（Validate） 。

在代码生成完成后，调用编译器，我们就编译出了所需的函数（类），直接调用即可得到计算结果。如果函数包含参数，例如上面例子中的 X ，每次计算可以传入不同的参数，编译一次、计算多次。

以下的代码实现都可以在 GitHub 项目 fuyufjh/calculator 找到。

验证（Validate）

为了尽可能简单，例子中仅涉及两种类型：Long 和 Double

这一步中，我们将合法的表达式 AST 转换成 Algebra Node，这是一个递归语法树的过程，下面是一个例子（由于 Plus 接收 Long/Double 的任意类型组合，所以此处没有做类型检查）：

@Override public AlgebraNode visitPlus(CalculatorParser.PlusContext ctx) {
    return new PlusNode(visit(ctx.plusOrMinus()), visit(ctx.multOrDiv()));
}

AlgebraNode 接口定义如下：

public interface AlgebraNode {
    DataType getType(); // Validate 和 CodeGen 都会用到
    String generateCode(); // CodeGen 使用
    List<AlgebraNode> getInputs();
}

实现类大致与 AST 的中的节点相对应，如下图。

代码生成技术初探（一）表达式编译

对于加法，类型推导的过程很简单——如果两个操作数都是 Long 则结果为 Long，否则为 Double。

@Override public DataType getType() {
    if (dataType == null) {
        dataType = inferTypeFromInputs();
    }
    return dataType;
}

private DataType inferTypeFromInputs() {
    for (AlgebraNode input : getInputs()) {
        if (input.getType() == DataType.DOUBLE) {
            return DataType.DOUBLE;
        }
    }
    return DataType.LONG;
}

生成代码

依旧以加法为例，利用上面实现的 getType() ，我们可以确定输入、输出的类型，生成出强类型的代码：

@Override public String generateCode() {
    if (getLeft().getType() == DataType.DOUBLE && getRight().getType() == DataType.DOUBLE) {
        return "(" + getLeft().generateCode() + " + " + getRight().generateCode() + ")";
    } else if (getLeft().getType() == DataType.DOUBLE && getRight().getType() == DataType.LONG) {
        return "(" + getLeft().generateCode() + " + (double)" + getRight().generateCode() + ")";
    } else if (getLeft().getType() == DataType.LONG && getRight().getType() == DataType.DOUBLE) {
        return "((double)" + getLeft().generateCode() + " + " + getRight().generateCode() + ")";
    } else if (getLeft().getType() == DataType.LONG && getRight().getType() == DataType.LONG) {
        return "(" + getLeft().generateCode() + " + " + getRight().generateCode() + ")";
    }
    throw new IllegalStateException();
}

注意，目前代码还是以 String 形式存在的，递归调用的过程中通过字符串拼接，一步步拼成完整的表达式函数。

以表达式 a + 2*3 - 2/x + log(x+1) 为例，最终生成的代码如下：

(((double)(a + (2 * 3)) - ((double)2 / x)) + java.lang.Math.log((x + (double)1)))

其中， a 、 x 都是未知数，但类型是已经确定的，分别是 Long 型和 Double 型。

编译器编译

Janino 是一个流行的轻量级 Java 编译器，与常用的 javac 相比它最大的优势是：可以在 JVM 上直接调用，直接在进程内存中运行编译，速度很快。

上述代码仅仅是一个表达式、并不是完整的 Java 代码，但 janino 提供了方便的 API 能直接编译表达式：

ExpressionEvaluator evaluator = new ExpressionEvaluator();
evaluator.setParameters(parameterNames, parameterTypes); // 输入参数名及类型
evaluator.setExpressionType(rootNode.getType() == DataType.DOUBLE ? double.class : long.class); // 输出类型
evaluator.cook(code); // 编译代码

实际上，你也可以手工拼接出如下的类代码，交给 janino 编译，效果是完全相同的：

class MyGeneratedClass {
    public double calculate(long a, double x) {
        return (((double)(a + (2 * 3)) - ((double)2 / x)) + java.lang.Math.log((x + (double)1)));
    }
}

最后，依次输入所有参数即可调用刚刚编译的函数：

Object result = evaluator.evaluate(parameterValues);

References

fuyufjh/calculator: A simple calculator to demonstrate code gen technology
Janino by janino-compiler

原文 https://ericfu.me/code-gen-of-expression/

正文到此结束

所属分类： Java 编程技术

本文标签： MQ API 参数 IO 递归 https 大数据 list ORM tag git IDE value 字节码 node 数据 parse ACE JVM 编译 UI 解析 http 提问 root sql CEO src Lua java 产品代码 SQL Server id rmi 进程 GitHub 性能问题
版权声明： 本文为互联网转载文章，出处已在文章中说明(部分除外)。如果侵权，请联系本站长删除，谢谢。
本文海报： 生成海报一生成海报二

其他链接

关于本站

本站定位：个人技术类博客

本站作用：写博客、记日志、闲聊扯淡鼓捣技术。

问题交流

代码生成技术初探（一）表达式编译

当我们谈论代码生成时我们在谈论什么

解析执行的缺陷

代码生成基本过程

验证（Validate）

生成代码

编译器编译

References

热门推荐

相关文章

说给你听

本文目录

随机标签

书籍教程

近期评论

网站信息

其他链接

关于本站

问题交流