以解释性语言存储变量的数据结构

Question

我正在设计自己的实验性脚本语言，以便将其嵌入到我更大的应用程序中。

几乎我想做的所有事情都可以顺利编程，但是将变量存储在内存中的“简单”行为似乎是这里最难的部分。我不知道如何存储它们以允许对它们进行所有类型检查、全局变量和特殊标志。首先看一个示例代码：

a = 1
b = 2

someFunction()
  print(a)   --> This should read the global variable and print `1`
  a = 3      --> Now `a` should become a local variable of this function
                 and the global `a` remain unchanged
  x = 4      --> `x` should always be local of this function
end

我将变量的“局部性”称为其级别，因此嵌套块中的变量具有更高的级别。在上面的代码中，a和b是1级变量。 someFunction 的局部变量将具有级别 2。函数的第一行应读取全局变量 a（级别 1），但第二行应再次创建一个名为 a 的变量但级别 2 会从该点开始遮蔽全局 a。第三行应该创建级别为2的变量x。如何在内存中存储和跟踪所有这些？

到目前为止我尝试过的：

方法 1：将 variable=>value 的映射存储在级别数组中：

variables
{
    level=1 //global variables
    {
        a => 1,
        b => 2
    },
    level=2 //function variables
    {
        a => 3,
        x => 4
    }
}

但这会使变量查找非常慢，因为必须搜索给定变量的所有级别。

方法 2：将（变量，级别）对存储为映射的键：

variables
{
    (a, 1) => 1, //global
    (b, 1) => 2, //global
    (a, 2) => 3, //function
    (x, 2) => 3  //function
}

这与之前有相同的问题，因为我们必须尝试给定变量的所有可能级别的对（变量，级别）。

我应该使用什么方法来获得最佳的内存使用率和最快的访问时间？

附加说明：

我知道如何在其他“真实”语言上在堆栈和堆上管理变量，但我发现在解释语言上执行此操作很棘手。 “Lua 和 Python 不应该是这样做的，”我总是这样想。如果我错了请纠正我。我试图将变量存储在映射和内部 C++ 结构中。

最后，这就是我表示变量的方式。你认为它很大并且可以有更节省内存的表示形式吗？ （我也尝试将“级别”作为成员放在这里，但它也有与另一个相同的问题。）

struct Member
{
    uchar type;  //0=num, 1=str, 2=function, 3=array, etc
    uchar flags; //0x80 = read-only, 0x40 = write-only, etc
    union {
        long double value_num;
        char* value_str;
        int value_func;
        //etc
    };
};

Answer 1

与数组类似，一个简单的事情就是维护一堆地图。每个映射都包含该范围的绑定。要绑定变量，请将其添加到顶部地图；要查找变量，请从堆栈顶部开始，并在到达包含该变量绑定的映射时停止。搜索需要一点时间，但从顶部/末尾开始，您只需搜索直到找到它 - 在大多数情况下，此搜索不会很长。

您还可以通过将此逻辑封装在具有本地绑定和用于解析未知变量的继承环境的 Environment 类中来使堆栈隐式化。需要进入新的范围吗？以当前环境为基础创建一个新环境，使用它，然后在范围完成时丢弃它。根/全局环境只能有一个空继承环境。这就是我可能会做的。

Answer 2

值得注意的是，如果在函数内部，您无法访问调用者函数中的任何变量，则会减少您需要查看的级别数。例如：

variable a;

function one() {
    variable b;
    // in this function, we can see the global a, local b
    two();
}

function two() {
    // in this function, we can see the global a, local c
    // we cannot see the local b of our caller
    variable c;
    while (true) {
        variable d;
        // here we can see local d, local c, global a
    }
}

这个想法是函数边界限制变量的可见性，全局作用域是“特殊的”。

话虽如此，您可以考虑删除全局变量的特殊性，但允许代码指定它们想要访问非局部变量

variable a;

function one() {
    global a; // or upvar #0 a;
    variable b;
    // in this function, we can see the global a, local b
    two();
}

function two() {
    // in this function, we can see the local c
    // and the local b of our caller
    // (since we specifically say we want access to "b" one level up)
    upvar 1 b;
    variable c;
}

一开始看起来很复杂，但是一旦习惯了它就很容易理解（upvar是Tcl 编程语言的构造）。它允许您访问调用者作用域中的变量，但它通过要求您准确指定该变量的来源来避免一些昂贵的查找（1 是调用堆栈的上一级，2 是上两级， #0 是“特殊的”，表示“最上面的调用堆栈，全局的”