Golang 动态脚本调研详解

Golang
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2023-02-01
详解Golang如何实现一个环形缓冲器
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  • 一、技术背景
  • 1.1 程序的动态链接技术
  • 1.1.1 动态链接库
  • 1.1.2 动态共享对象
  • 1.1.3 非编译语言的动态技术
  • 1.2 Golang 的动态技术
  • 二、Golang 的第三方解释器（Yaegi）
  • 2.1 使用场景
  • 2.1.1 内嵌解释器
  • 2.1.2 动态扩展框架
  • 2.1.3 命令行解释器
  • 2.2 数据交互
  • 2.2.1 数据输入
  • 2.1.2 数据输出
  • 三、实现原理
  • 3.1 AST - 抽象语法树
  • 3.1.1 抽象语法树示例
  • 3.1.2 执行抽象语法树

一、技术背景

1.1 程序的动态链接技术

在实际开发过程中，我们经常需要动态地更新程序的功能，或者在不变更程序主体文件的情况下添加或者更新程序模块。

1.1.1 动态链接库

首先最常见的是windows平台所支持的动态链接库（Dynamic Link Library），一般后缀名为.dll 。其优势非常明显：

  • 多个程序可以共享代码和数据。即多个程序加载同一个DLL文件。
  • 可以自然地将程序划分为若干个模块。每个模块输出为单独的DLL文件，由主程序加载执行。
  • 跨语言调用。由于DLL文件是语言无关的，一个DLL文件可以被多种编程语言加载执行。
  • 便于更新。在程序更新过程中，仅更新对应模块的DLL文件即可，无需重新部署整个程序。
  • 为热更新提供技术可能性。动态链接库可以通过编程手段实现加载和卸载，以此可以支持不重启程序的情况下更新模块。
  • 为程序提供编程接口。可以将自己程序的调用接口封装为DLL文件，供其他程序调用。

1.1.2 动态共享对象

在Linux平台，此项技术名为动态共享对象（dynamic shared objects），常见后缀名为.so。

动态共享对象除了上述“动态链接库”的优势之外，也能解决由于Linux的开放性带来的底层接口兼容问题。即通过动态共享对象封装操作系统底层接口，对外提供统一的调用接口，以供上层应用程序调用。相当于提供了一层兼容层。

1.1.3 非编译语言的动态技术

非编译语言，由于本身是通过源代码发布，所以实现动态加载程序模块或者更新模块，直接修改源代码即可。思路简单且容易实现。

1.2 Golang 的动态技术

Golang作为编译型的开发语言，本身并不支持通过源代码实现动态加载和更新。但Golang官方提供了Plugin技术，实现动态加载。

通过在编译时添加参数，将Go程序编译为 Plugin：

go build -buildmode=plugin

但是此技术在当前版本（1.19）局限性非常大。通过其文档 https://pkg.go.dev/plugin 可知：

  • 平台限制，目前仅支持：Linux, FreeBSD 和 macOS
  • 卸载限制，仅支持动态加载，不支持动态卸载。
  • 不提供统一接口，只能通过反射处理Plugin内部的属性和函数。

并且上述问题，Golang官方并不打算解决……

二、Golang 的第三方解释器（Yaegi）

解释器一般只存在于脚本语言中，但是Traefik为了实现动态加载的插件功能，开发了一个Golang的解释器。提供了在运行时直接执行Golang源代码的能力。

参考项目：https://github.com/traefik/yaegi

2.1 使用场景

yaegi 项目官方推荐三种场景：

  • 内嵌解释器
  • 动态扩展框架
  • 命令行解释器

并且官方针对上述三种场景，均给出了相应的示例：

2.1.1 内嵌解释器

package main
import (
    "github.com/traefik/yaegi/interp"
    "github.com/traefik/yaegi/stdlib"
)
func main() {
    i := interp.New(interp.Options{})
    i.Use(stdlib.Symbols)
    _, err := i.Eval(`import "fmt"`)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    _, err = i.Eval(`fmt.Println("Hello Yaegi")`)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
}

2.1.2 动态扩展框架

package main
import "github.com/traefik/yaegi/interp"
const src = `package foo
func Bar(s string) string { return s + "-Foo" }`
func main() {
    i := interp.New(interp.Options{})
    _, err := i.Eval(src)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    v, err := i.Eval("foo.Bar")
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    bar := v.Interface().(func(string) string)
    r := bar("Kung")
    println(r)
}

2.1.3 命令行解释器

Yaegi提供了一个命令行工具，实现了 读取-执行-显示 的循环。

$ yaegi
> 1 + 2
3
> import "fmt"
> fmt.Println("Hello World")
Hello World
>

2.2 数据交互

数据交互方式比较多，需要注意的是从解释器内部返回的数据都是 reflect.Value 类型，获取其实际的值需要类型转换。

2.2.1 数据输入

可以有（但不限于）下述四种方法：

  • 通过 os.Args 传入数据
  • 通过 环境变量 传入数据
  • 通过 赋值语句 传入数据
  • 通过 函数调用 传入数据

下面是我自己写的代码示例：

package main
import (
	"fmt"
	"github.com/traefik/yaegi/interp"
	"github.com/traefik/yaegi/stdlib"
)
func main() {
	{ // 通过 os.Args 传入数据
		i := interp.New(interp.Options{
			Args: []string{"666"},
		})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`import "fmt"`)
		i.Eval(`import "os"`)
		i.Eval(`fmt.Printf("os.Args[0] --- %s\n", os.Args[0])`) 
               // os.Args[0] --- 666
	}
	{ // 通过 环境变量 传入数据
		i := interp.New(interp.Options{
			Env: []string{"inputEnv=666"},
		})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`import "fmt"`)
		i.Eval(`import "os"`)
		i.Eval(`fmt.Printf("os.Getenv(\"inputEnv\") --- %s\n", os.Getenv("inputEnv"))`)
               // os.Getenv("inputEnv") --- 666
	}
	{ // 执行赋值语句传入数据
		i := interp.New(interp.Options{})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`import "fmt"`)
		i.Eval(fmt.Sprintf("inputVar:=\"%s\"", "666"))
		i.Eval(`fmt.Printf("inputVar --- %s\n", inputVar)`)
               // inputVar --- 666
	}
        { // 通过函数调用传递
		i := interp.New(interp.Options{})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`import "fmt"`)
		i.Eval(`var data map[string]interface{}`)
		i.Eval(`func SetData(d map[string]interface{}){ data = d }`)
		f, _ := i.Eval("SetData")
		fun := f.Interface().(func(map[string]interface{}))
		fun(map[string]interface{}{
			"data01": 666,
		})
		i.Eval(`fmt.Printf("SetData --- %d\n", data["data01"])`)
               // SetData --- 666
	}
}

2.1.2 数据输出

从解释器获取数据，实际上是获取全局变量的值，可以通过下述方法：

  • Eval 方法直接获取
  • 通过函数调用获取
  • Global 方法获取所有全局变量
package main
import (
	"fmt"
	"github.com/traefik/yaegi/interp"
	"github.com/traefik/yaegi/stdlib"
)
func main() {
	{ // 通过 Eval 直接获取
		i := interp.New(interp.Options{})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`data := 666`)
		v, _ := i.Eval("data")
		value := v.Interface().(int)
		fmt.Printf("data = %d\n", value)
               // data = 666
	}
        { // 通过函数返回值获取
		i := interp.New(interp.Options{})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`data := 666`)
		i.Eval(`func GetData() int {return data}`)
		f, _ := i.Eval("GetData")
		fun := f.Interface().(func() int)
		fmt.Printf("data = %d\n", fun())
               // data = 666
	}
	{ // 通过 Eval 直接获取
		i := interp.New(interp.Options{})
		i.Use(stdlib.Symbols)
		i.Eval(`dataInt := 666`)
		i.Eval(`dataStr := "666"`)
		for name, v := range i.Globals() {
			value := v.Interface()
			switch value.(type) {
			case int:
				fmt.Printf("%s = %d\n", name, value)
                               // dataInt = 666
			case string:
				fmt.Printf("%s = %s\n", name, value)
                               // dataStr = 666
			}
		}
	}
}

三、实现原理

就解释器的实现原理，各个语言都大差不差。Golang由于其强大的基础库，直接提供了构建抽象语法树（Abstract Syntax Tree）的能力。基于抽象语法树实现脚本解释器，就容易很多。

3.1 AST - 抽象语法树

在计算机科学中，抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST），或简称语法树（Syntax tree），是源代码语法结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构，树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。

Golang 通过 go/ast 包（https://pkg.go.dev/go/ast），提供抽象语法树相关能力。

3.1.1 抽象语法树示例

我们取Golang语法的子集进行示例：一个简单的条件表达式

`A!=1 && (B>1 || (C<1 && A>2))`

抽象语法树长这样：

   *ast.BinaryExpr {
   .  X: *ast.BinaryExpr {
   .  .  X: *ast.Ident {
   .  .  .  NamePos: -
   .  .  .  Name: "A"
   .  .  }
   .  .  OpPos: -
   .  .  Op: !=
   .  .  Y: *ast.BasicLit {
   .  .  .  ValuePos: -
   .  .  .  Kind: INT
   .  .  .  Value: "1"
   .  .  }
   .  }
   .  OpPos: -
   .  Op: &&
   .  Y: *ast.ParenExpr {
   .  .  Lparen: -
   .  .  X: *ast.BinaryExpr {
   .  .  .  X: *ast.BinaryExpr {
   .  .  .  .  X: *ast.Ident {
   .  .  .  .  .  NamePos: -
   .  .  .  .  .  Name: "B"
   .  .  .  .  }
   .  .  .  .  OpPos: -
   .  .  .  .  Op: >
   .  .  .  .  Y: *ast.BasicLit {
   .  .  .  .  .  ValuePos: -
   .  .  .  .  .  Kind: INT
   .  .  .  .  .  Value: "1"
   .  .  .  .  }
   .  .  .  }
   .  .  .  OpPos: -
   .  .  .  Op: ||
   .  .  .  Y: *ast.ParenExpr {
   .  .  .  .  Lparen: -
   .  .  .  .  X: *ast.BinaryExpr {
   .  .  .  .  .  X: *ast.BinaryExpr {
   .  .  .  .  .  .  X: *ast.Ident {
   .  .  .  .  .  .  .  NamePos: -
   .  .  .  .  .  .  .  Name: "C"
   .  .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  .  .  OpPos: -
   .  .  .  .  .  .  Op: <
   .  .  .  .  .  .  Y: *ast.BasicLit {
   .  .  .  .  .  .  .  ValuePos: -
   .  .  .  .  .  .  .  Kind: INT
   .  .  .  .  .  .  .  Value: "1"
   .  .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  .  OpPos: -
   .  .  .  .  .  Op: &&
   .  .  .  .  .  Y: *ast.BinaryExpr {
   .  .  .  .  .  .  X: *ast.Ident {
   .  .  .  .  .  .  .  NamePos: -
   .  .  .  .  .  .  .  Name: "A"
   .  .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  .  .  OpPos: -
   .  .  .  .  .  .  Op: >
   .  .  .  .  .  .  Y: *ast.BasicLit {
   .  .  .  .  .  .  .  ValuePos: -
   .  .  .  .  .  .  .  Kind: INT
   .  .  .  .  .  .  .  Value: "2"
   .  .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  .  }
   .  .  .  .  }
   .  .  .  .  Rparen: -
   .  .  .  }
   .  .  }
   .  .  Rparen: -
   .  }
   }

图形表示：

3.1.2 执行抽象语法树

简要说明一下如果要执行抽象语法树，应该怎么做：

执行过程与程序执行过程相似。先遍历声明列表，将已声明的内容初始化到堆内存（可以使用字典代替）。深度优先遍历抽象语法树，处理遍历过程中遇到的抽象对象，比如（举例而已，实际可能有出入）：

  • 初始化堆内存和执行栈。
  • 遍历声明部分，写入堆，等待调用。
  • 找到主函数声明，主函数入栈，遍历其函数体语句，逐语句进行深度优先遍历执行。
  • 遇到变量定义，则写入栈顶缓存。
  • 遇到函数调用，则函数入栈。从堆中寻找函数定义，遍历其函数体语句，递归执行语句。
  • 遇到变量使用，依次从下述位置获取值：栈顶缓存 -> 堆内存
  • 遇到表达式，递归执行表达式。
  • 函数体执行结束后出栈，出栈后将返回值写入栈顶缓存。
  • 上述递归过程完成，程序结束。

上述是简单的执行过程，并未处理特殊语法和语法糖，各个语言的语法定义均有不同，需要单独处理。比如，Golang支持的语法可以参考：https://pkg.go.dev/go/ast

若能对其中定义的所有语法进行处理，就可以实现golang的脚本解释器。

对于上面（3.1.1）的那个简单示例，可以通过下述代码直接执行：

（不处理函数，只处理括号和有限的操作符。也未定义执行栈，堆内存使用全局变量Args代替）

package main
import (
	"fmt"
	"go/ast"
	"go/parser"
	"go/token"
	"strconv"
)
var Args map[string]int
func main() {
	{
		Args = map[string]int{"A": 1, "B": 2, "C": 3}
		code := `A==1 && (B>1 || C<1)`
		expr, _ := parser.ParseExpr(code)
		result := runExpr(expr)
		fmt.Println(result)
	}
	{
		Args["A"] = 3
		Args = map[string]int{"A": 1, "B": 2, "C": 3}
		code := `A!=1 && (B>1 || (C<1 && A>2))`
		expr, _ := parser.ParseExpr(code)
		result := runExpr(expr)
		fmt.Println(result)
	}
}
// 执行表达式
// 支持操作：>, <, ==, !=, &&, ||
// 支持括号嵌套
func runExpr(expr ast.Expr) interface{} {
	var result interface{}
	// 二元表达式
	if binaryExpr, ok := expr.(*ast.BinaryExpr); ok {
		switch binaryExpr.Op.String() {
		case "&&":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(bool) && y.(bool)
		case "||":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(bool) || y.(bool)
		case ">":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(int) > y.(int)
		case "<":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(int) < y.(int)
		case "==":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(int) == y.(int)
		case "!=":
			x := runExpr(binaryExpr.X)
			y := runExpr(binaryExpr.Y)
			return x.(int) != y.(int)
		}
	}
	// 基本类型值
	if basicLit, ok := expr.(*ast.BasicLit); ok {
		switch basicLit.Kind {
		case token.INT:
			v, _ := strconv.Atoi(basicLit.Value)
			return v
		}
	}
	// 标识符
	if ident, ok := expr.(*ast.Ident); ok {
		return Args[ident.Name]
	}
	// 括号表达式
	if parenExpr, ok := expr.(*ast.ParenExpr); ok {
		return runExpr(parenExpr.X)
	}
	return result
}

执行结果：

A==1 && (B>1 || C<1) => true
A!=1 && (B>1 || (C<1 && A>2)) => false
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