XJ: 一个扩展Java语言的方案

Java历来是一种以不变应万变的语言。在Java 5中，annotation的引入使得Java在某些特殊的应用场合(如企业应用)中能够进行定制。Annotations 可被看作是用Java核心技术来定义的"领域特定语言"(Domain Specific Languages,DSLs)。

Annotation本质上是一种 name-value 形式的绑定，仅限于它们所能表达的意义。它们不能定义新的语法结构，例如为collection增加个"select"。事实上annotations的存在揭示了Java本身需要DSL的兼容，但是却缺乏能够完全实现DSL所必要的丰富性。

在这里我们为使Java能够支持自定义语义给出了一些建议和方案。如果能够进行一些适当的"扩展"(extension)，在不与现有的语法冲突的情况下并且保留向后兼容。例如：用一些语法定义类来产生新的语法结构，姑且称之为 "语义类"，这样就能够以现有方式在程序中得以实现。我们把这个方案称之：XJ (eXtensible Java,可扩展Java)。

XJ给Java带来了这个所谓的"语义类"。一个语义类也是一个有通常语法的的Java类，当Java解析器遇到由语义类定义的语法结构，那么就用语义类中定义的语法来处理这些输入信息。如果解析成功，那这些语法可以合成为一个Java抽象语法树(AST:abstract syntax tree )。一个抽象语法树可以有一个标准接口被Java编译器所使用当处理语法的时候。AST的新类型可以通过实现合适的接口来进行创建。

考虑到JAVA中的一个简单语言结构:依据某些条件从一个collection中选一个元素出来。一个使用新结构的例子如下所示：

Java代码

import language mylang.Select;
public Person getChild(Vector<Person> people) {
@Select Person p from people where p.age < 18 {
return p;
}
else { return null; }
}

import language mylang.Select;
public Person getChild(Vector<Person> people) { 
 @Select Person p from people where p.age < 18 {
    return p;  
 } 
 else { return null; }
}

这个新的语法接口可以叫做"Select",用"@"符号定义在语法类饮用的的前缀。定义了一个Vector从中选出条件为年纪小于18岁的人群。最后返回满足条件的值，或者返回空值。Select的语法定义如下。

Java代码

public Person getChild(Vector<Person> people) {
for(int i = 0; i < people.size(); i++) {
Person p = people.elementAt(i);
if(p.age < 18)
return p;
}
return null;
}

public Person getChild(Vector<Person> people) {  
 for(int i = 0; i < people.size(); i++) {    
  Person p = people.elementAt(i);    
  if(p.age < 18)      
    return p;  
 }  
 return null;
}

同理，通过XJ，一个新的语法接口通过定义语义类来定义。一个语义类包括语法由Java解析器来处理具体的程序语法并且返回一个AST。一旦一个语义类被定义，它就能通过在语义定义符号"@"后定义从而在程序代码中被使用。select的结构定义如下：

Java代码

package mylang;
import language java.syntax.Grammar;
import java.syntax.AST;
import java.syntax.Block;
import java.syntax.Context;
import java.syntax.Statement;
import java.syntax.Sugar;
import java.syntax.Type;
import java.syntax.Var;
public class Select extends Sugar {
private Type type;
private Var var;
private AST collection;
private AST test;
private Block body;
private Block otherwise;
public Select(Type T,String n,AST c,AST t,Block b,Block o){
type = T;
var = new Var(n);
collection = c;
test = t;
body = b;
otherwise = o;
}
// Select Grammar definition
@Grammar extends Statement {
Select ::=
T = Type
n = Name
'from' c = Exp
'when' t = Exp
b = Block
o = ('else' Block | { return new Block(); })
{ return new Select(T,n,c,t,b,o); }. }
// Desugar to produce an abstract syntax tree
public AST desugar(Context context) {
Class<T> cType = context.getType(collection);
if(isVector(cType))
return desugarVector(cType,contect);
else // More cases...
}
public AST desugarVector(Class<T> cType,Context context) {
Var done = context.newVar();
Var coll = context.newVar();
return
[| boolean <done> = false;
<cType> coll = <collection>;
for(int i = 0; i < <coll>.size(); i++) {
<underlyingType(cType)> <var> = <coll>.elementAt(i);
if(<test>) {
<done> = true;
<body>;
}
}
if(!<done>)
<otherwise>;
|];
}
}

package mylang;
import language java.syntax.Grammar;
import java.syntax.AST;
import java.syntax.Block;
import java.syntax.Context;
import java.syntax.Statement;
import java.syntax.Sugar;
import java.syntax.Type;
import java.syntax.Var;
public class Select extends Sugar {  
  private Type type;  
  private Var var; 
  private AST collection;  
  private AST test;  
  private Block body;  
  private Block otherwise;  
  public Select(Type T,String n,AST c,AST t,Block b,Block o){
    type = T;    
    var = new Var(n);    
    collection = c;    
    test = t;    
    body = b;    
    otherwise = o;  
  }  
  // Select Grammar definition  
  @Grammar extends Statement {    
    Select ::=      
      T = Type      
      n = Name      
      'from' c = Exp      
      'when' t = Exp      
      b = Block      
      o = ('else' Block | { return new Block(); })      
      { return new Select(T,n,c,t,b,o); }.  }  
   // Desugar to produce an abstract syntax tree  
   public AST desugar(Context context) {
     Class<T> cType = context.getType(collection);    
     if(isVector(cType))      
       return desugarVector(cType,contect);    
     else // More cases...  
   }  

   public AST desugarVector(Class<T> cType,Context context) {
     Var done = context.newVar();    
     Var coll = context.newVar();    
     return 
         [| boolean <done> = false;              
         <cType> coll = <collection>;              
         for(int i = 0; i < <coll>.size(); i++) {                
            <underlyingType(cType)> <var> = <coll>.elementAt(i);                
           if(<test>) {                  
             <done> = true; 
             <body>;              
           }
         }              
         if(!<done>)  
             <otherwise>;          
         |];  
    }
}

从Select的语法规则定义可以看到一个良好格式的语句是通过一个名称,关键字"from"及其表达式,关键字"when"及其表达式，以及定义select块的正文。在正文后,还可以定义if-else之类的可选关键字。在select规则中的每个case中，解析元素产生一个可以和名称可选关联的值。例如，和名称为"T"相关联的类型。另外，解析规则也包含返回值的Java语句。这些包含在{and}中,而且可以引用任何在后面定义的名称。由Select rule返回最终结果是Select类的一个实例。

由语法所决定的返回值必须是java.syntax.AST类的一个实例。如果返回值是标准Java AST类的实例，那在语法类中不需要做特殊处理。如果返回值是自定义语法类的实例，那么这个类必须实现AST接口，来由编译器翻译成Java VM识别的代码。更简单易行的办法是用户自定义语义类从java.syntax.Sugar继承，而java.syntax.Sugar通过desugar方法实现了AST接口。desugar方法负责把输入的信息解释为接口中已经定义的AST(抽象语法树)，

在这篇短文中我们介绍了Java的扩展(XJ)，主要是通过定义新的Java语法来对Java语言本身进行扩展。虽然XJ还没有在Java中实现，但是它是XMF语言的主要特征。XMF语言已经在商业工具(XMF-Mosaic)中被使用并在2008年开源。关于本文更多的细节和例子可以参照这篇文章：超越Annotations:可扩展Java语言的计划。

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