摘要：目录前言问题的提出模板引擎和结合的实现编译原理相关模版引擎的词法分析语法分析与抽象语法树代码生成完整的结语前言本文尝试构建一个前端模板引擎，并且把这个引擎和进行结合。于是就构思了一个方案，在前端模板引擎上做手脚。
目录作者：戴嘉华
转载请注明出处并保留原文链接（ https://github.com/livoras/blog/issues/14 ）和作者信息。
前言
问题的提出
模板引擎和 Virtual-DOM 结合 —— Virtual-Template
Virtual-Template 的实现
4.1 编译原理相关
4.2 模版引擎的EBNF
4.3 词法分析
4.4 语法分析与抽象语法树
4.5 代码生成
完整的 Virtual-Template
结语
1. 前言本文尝试构建一个 Web 前端模板引擎，并且把这个引擎和 Virtual-DOM 进行结合。把传统模板引擎编译成 HTML 字符串的方式改进为编译成 Virtual-DOM 的 render 函数，可以有效地结合模板引擎的便利性和 Virtual-DOM 的性能。类似 ReactJS 中的 JSX。
阅读本文需要一些关于 ReactJS 实现原理或者 Virtual-DOM 的相关知识，可以先阅读这篇博客：深度剖析：如何实现一个 Virtual DOM 算法 ， 进行相关知识的了解。
同时还需要对编译原理相关知识有基本的了解，包括 EBNF，LL(1)，递归下降的方法等。
2. 问题的提出本人在就职的公司维护一个比较朴素的系统，前端渲染有两种方式：
后台直接根据模板和数据直接把页面吐到前端。
后台只吐数据，前端用前端模板引擎渲染数据，动态塞到页面。
当数据状态变更的时候，前端用 jQuery 修改页面元素状态，或者把局部界面用模板引擎重新渲染一遍。当页面状态很多的时候，用 jQuery 代码中会就混杂着很多的 DOM 操作，编码复杂且不便于维护；而重新渲染虽然省事，但是会导致一些性能、焦点消失的问题（具体可以看这篇博客介绍）。
因为习惯了 MVVM 数据绑定的编码方式，对于用 jQuery 选择器修改 wordings 等细枝末节的劳力操作个人感觉不甚习惯。于是就构思能否在这种朴素的编码方式上做一些改进，解放双手，提升开发效率。其实只要加入数据状态 -> 视图的 one-way data-binding 开发效率就会有较大的提升。
而这种已经在运作多年的多人维护系统，引入新的 MVVM 框架并不是一个非常好的选择，在兼容性和风险规避上大家都有诸多的考虑。于是就构思了一个方案，在前端模板引擎上做手脚。可以在几乎零学习成本的情况下，做到 one-way data-binding，大量减少 jQuery DOM 操作，提升开发效率。
3. 模板引擎和 Virtual-DOM 结合 —— Virtual-Template考虑以下模板语法：
{title}
{each users as user i}
- NO.{i + 1} - {user.name} {if user.isAdmin} I am admin {elseif user.isAuthor} I am author {else} I am nobody {/if}
{/each}
这只一个普通的模板引擎语法（类似 artTemplate），支持循环语句（each）、条件语句（if elseif else ..）、和文本填充（{...}）， 应该比较容易看懂，这里就不解释。当用下面数据渲染该模板的时候：
var data = {
title: "Users List",
users: [
{id: "user0", name: "Jerry", isAdmin: true},
{id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true},
{id: "user2", name: "Tomy"}
]
}
会得到下面的 HTML 字符串：
Users List
- NO.1 - Jerry I am admin
- NO.2 - Lucy I am author
- NO.3 - Tomy I am nobody
把这个字符串塞入文档当中就可以生成 DOM 。但是问题是如果数据变更了，例如data.title由Users List修改成Users，你只能用 jQuery 修改 DOM 或者直接重新渲染一个新的字符串塞入文档当中。
然而我们可以参考 ReactJS 的 JSX 的做法，不把模板编译成 HTML， 而是把模板编译成一个返回 Virtual-DOM 的 render 函数。render 函数会根据传入的 state 不同返回不一样的 Virtual-DOM ，然后就可以根据 Virtual-DOM 算法进行 diff 和 patch：
// setup codes // ... var render = template(tplString) // template 把模板编译成 render 函数而不是 HTML 字符串 var root1 = render(state1) // 根据初始状态返回的 virtual-dom var dom = root.render() // 根据 virtual-dom 构建一个真正的 dom 元素 document.body.appendChild(dom) var root2 = render(state2) // 状态变更，重新渲染另外一个 virtual-dom var patches = diff(root1, root2) // virtual-dom 的 diff 算法 patch(dom, patches) // 更新真正的 dom 元素
这样做好处就是：既保留了原来模板引擎的语法，又结合了 Virtual-DOM 特性：当状态改变的时候不再需要 jQuery 了，而是跑一遍 Virtual-DOM 算法把真正的 DOM 给patch了，达到了 one-way data-binding 的效果，总结流程就是：
先把模板编译成一个 render 函数，这个函数会根据数据状态返回 Virtual-DOM
用 render 函数构建 Virtual-DOM；并根据这个 Virtual-DOM 构建真正的 DOM 元素，塞入文档当中
当数据变更的时候，再用 render 函数渲染一个新的 Virtual-DOM
新旧的 Virtual-DOM 进行 diff，然后 patch 已经在文档中的 DOM 元素
（恩，其实就是一个类似于 JSX 的东西）
这里重点就是，如何能把模板语法编译成一个能够返回 Virtual-DOM 的 render 函数？例如上面的模板引擎，不再返回 HTML 字符串了，而是返回一个像下面那样的 render 函数：
function render (state) {
return el("div", {}, [
el("h1", {}, [state.title]),
el("ul", {}, state.users.map(function (user, i) {
return el("li", {"class": "user-item"}, [
el("img", {"src": "/avatars/" + user.id}, []),
el("span", {}, ["No." + (i + 1) + " - " + user.name],
(user.isAdmin
? "I am admin"
: uesr.isAuthor
? "I am author"
: "")
])
}))
])
}
前面的模板和这个 render 函数在语义上是一样的，只要能够实现“模板 -> render 函数”这个转换，就可以跑上面所说的 Virtual-DOM 的算法流程，这样就把模板引擎和 Virtual-DOM结合起来。为了方便起见，这里把这个结合体称为 Virtual-Template 。
4. Virtual-Template 的实现网上关于模板引擎的实现原理介绍非常多。如果语法不是太复杂的话，可以直接通过对语法标签和代码片段进行分割，识别语法标签内的内容（循环、条件语句）然后拼装代码，具体可以参考这篇博客。其实就是正则表达式使用和字符串的操作，不需要对语法标签以外的内容做识别。
但是对于和 HTML 语法已经差别较大的模板语法（例如 Jade ），单纯的正则和字符串操作已经不够用了，因为其语法标签以外的代码片段根本不是合法的 HTML 。这种情况下一般需要编译器相关知识发挥用途：模板引擎本质上就是把一种语言编译成另外一种语言。
而对于 Virtual-Template 的情况，虽然其除了语法标签以外的代码都是合法的 HTML 字符串，但是我们的目的是把它编译成返回 Virtual-DOM 的 render 函数，在构建 Virtual-DOM 的时候，你需要知道元素的 tagName、属性等信息，所以就需要对 HTML 元素本身做识别。
因此 Virtual-Template 也需要借助编译原理（编译器前端）相关的知识，把一种语言（模板语法）编译成另外一种语言（一个叫 render 的 JavaScript 函数）。
4.1 编译原理相关CS 本科都教过编译原理，本文会用到编译器前端的一些概念。在实现模板到 render 函数的过程中，要经过几个步骤：
词法分析：把输入的模板分割成词法单元（tokens stream）
语法分析：读入 tokens stream ，根据文法规则转化成抽象语法树（Abstract Syntax Tree）
代码生成：遍历 AST，生成 render 函数体代码
所以这个过程可以分成几个主要模块：tokenizer（词法分析器），parser（语法分析器），codegen（代码生成）。在此之前，还需要对模板的语法做文法定义，这是构建词法分析和语法分析的基础。
4.2 模板引擎的 EBNF在计算机领域，对某种语言进行语法定义的时候，几乎都会用到 EBNF（扩展的巴科斯范式）。在定义模板引擎的语法的时候，也可以用到 EBNF。Virtual-Template 拥有非常简单的语法规则，支持上面所提到的 each、if 等语法：
{each users as user i }
{user.name}
...
{/each}
{if user.isAdmin}
...
{elseif user.isAuthor}
...
{elseif user.isXXX}
...
{/if}
对于 {user.name} 这样的表达式插入，可以简单地看成是字符串，在代码生成的时候再做处理。这样我们的词法和语法分析就会简化很多，基本只需要对 each、if、HTML 元素进行处理。
Virtual-Template 的 EBNF：
Stat -> Frag Stat | ε
Frag -> IfStat | EachStat | Node | text
IfStat -> "{if ...}" Stat {ElseIf} [Else] "{/if}"
ElseIf -> "{elseif ...}" Stat
Else -> "{else}" Stat|e
EachStat -> "{each ...}" Stat "{/each}"
Node -> OpenTag NodeTail
OpenTag -> "/[w-d]+/" {Attr}
NodeTail -> ">" Stat "/<[wd]+>/" | "/>"
Attr -> "/[w-d]/+" Value
Value -> "=" "/"[sS]+"/" | ε
可以把该文法转换成 LL(1) 文法，方便我们写递归下降的 parser。这个语法还是比较简单的，没有出现复杂的左递归情况。简单进行展开和提取左公因子消除冲突获得下面的 LL(1) 文法。
LL(1) 文法：
Stat -> Frag Stat | ε
Frag -> IfStat | EachStat | Node | text
IfStat -> "{if ...}" Stat ElseIfs Else "{/if}"
ElseIfs -> ElseIf ElseIfs | ε
ElseIf -> "{elseif ...}" Stat
Else -> "{else}" Stat | ε
EachStat -> "{each ...}" Stat "{/each}"
Node -> OpenTag NodeTail
OpenTag -> "/[w-d]+/" Attrs
NodeTail -> ">" Stat "/<[wd]+>/" | "/>"
Attrs -> Attr Attrs | ε
Attr -> "/[w-d]/+" Value
Value -> "=" "/"[sS]+"/" | ε
4.3 词法分析
根据上面获得的 EBNF ，单引号包含的都是非终结符，可以知道有以下几种词法单元：
module.exports = {
TK_TEXT: 1, // 文本节点
TK_IF: 2, // {if ...}
TK_END_IF: 3, // {/if}
TK_ELSE_IF: 4, // {elseif ...}
TK_ELSE: 5, // {else}
TK_EACH: 6, // {each ...}
TK_END_EACH: 7, // {/each}
TK_GT: 8, // >
TK_SLASH_GT: 9, // />
TK_TAG_NAME: 10, // " }
{ type: 1, label: "NO." }
{ type: 1, label: "{i + 1} - " }
{ type: 1, label: "{user.name}" }
{ type: 13, label: "" }
{ type: 2, label: "{if user.isAdmin}" }
{ type: 1, label: "I am admin
" }
{ type: 4, label: "{elseif user.isAuthor}" }
{ type: 1, label: "I am author
" }
{ type: 5, label: "{else}" }
{ type: 1, label: "I am nobody
" }
{ type: 3, label: "{/if}" }
{ type: 13, label: "" }
{ type: 7, label: "{/each}" }
{ type: 13, label: "" }
{ type: 13, label: " 拿到 tokens 以后就可以就可以按顺序读取 token，根据模板的 LL(1) 文法进行语法分析。语法分析器，也就是 parser，一般可以采取递归下降的方式来进行编写。LL(1) 不允许语法中有冲突（ conflicts )，需要对文法中的产生式求解 FIRST 和 FOLLOW 集。
FIRST(Stat) = {TK_IF, TK_EACH, TK_TAG_NAME, TK_TEXT}
FOLLOW(Stat) = {TK_ELSE_IF, TK_END_IF, TK_ELSE, TK_END_EACH, TK_CLOSE_TAG, TK_EOF}
FIRST(Frag) = {TK_IF, TK_EACH, TK_TAG_NAME, TK_TEXT}
FIRST(IfStat) = {TK_IF}
FIRST(ElseIfs) = {TK_ELSE_IF}
FOLLOW(ElseIfs) = {TK_ELSE, TK_ELSE}
FIRST(ElseIf) = {TK_ELSE_IF}
FIRST(Else) = {TK_ELSE}
FOLLOW(Else) = {TK_END_IF}
FIRST(EachStat) = {TK_EACH}
FIRST(OpenTag) = {TK_TAG_NAME}
FIRST(NodeTail) = {TK_GT, TK_SLASH_GT}
FIRST(Attrs) = {TK_ATTR_NAME}
FOLLOW(Attrs) = {TK_GT, TK_SLASH_GT}
FIRST(Value) = {TK_ATTR_EQUAL}
FOLLOW(Value) = {TK_ATTR_NAME, TK_GT, TK_SLASH_GT}
上面只求出了一些必要的 FIRST 和 FOLLOW 集，对于一些不需要预测的产生式就省略求解了。有了 FIRST 和 FOLLOW 集，剩下的编写递归下降的 parser 只是填空式的体力活。
var Tokenizer = require("./tokenizer")
var types = require("./tokentypes")
function Parser (input) {
this.tokens = new Tokenizer(input)
this.parse()
}
var pp = Parser.prototype
pp.is = function (type) {
return (this.tokens.peekToken().type === type)
}
pp.parse = function () {
this.tokens.index = 0
this.parseStat()
this.eat(types.TK_EOF)
}
pp.parseStat = function () {
if (
this.is(types.TK_IF) ||
this.is(types.TK_EACH) ||
this.is(types.TK_TAG_NAME) ||
this.is(types.TK_TEXT)
) {
this.parseFrag()
this.parseStat()
} else {
// end
}
}
pp.parseFrag = function () {
if (this.is(types.TK_IF)) return this.parseIfStat()
else if (this.is(types.TK_EACH)) return this.parseEachStat()
else if (this.is(types.TK_TAG_NAME)) return this.parseNode()
else if (this.is(types.TK_TEXT)) {
var token = this.eat(types.TK_TEXT)
return token.label
} else {
this.parseError("parseFrag")
}
}
// ...
完整的 parser 可以查看 parser.js。
抽象语法树（Abstract Syntax Tree）递归下降进行语法分析的时候，可以同时构建模版语法的树状表示结构——抽象语法树，模板语法有以下的抽象语法树的节点类型：
Stat: {
type: "Stat"
members: [IfStat | EachStat | Node | text, ...]
}
IfStat: {
type: "IfStat"
label: ,
body: Stat
elifs: [ElseIf, ...]
elsebody: Stat
}
ElseIf: {
type: "ElseIf"
label: ,
body: Stat
}
EachStat: {
type: "EachStat"
label: ,
body: Stat
}
Node: {
type: "Node"
name: ,
attributes:
因为 JavaScript 语法的灵活性，可以用字面量的 JavaScript 对象和数组直接表示语法树的树状结构。语法树构的建过程可以在语法分析阶段同时进行。最后，可以获取到如下图的语法树结构：
完整的语法树构建过程，可以查看 parser.js 。
从模版字符串到 tokens stream 再到 AST ，这个过程只需要对文本进行一次扫描，整个算法的时间复杂度为 O(n)。
至此，Virtual-Template 的编译器前端已经完成了。
4.5 代码生成JavaScript 从字符串中构建一个新的函数可以直接用 new Function 即可。例如：
var newFunc = new Function("a", "b", "return a + b")
newFunc(1, 2) // => 3
这里需要通过语法树来还原 render 函数的函数体的内容，也就是 new Function 的第三个参数。
拿到模版语法的抽象语法树以后，生成相应的 JavaScript 函数代码就很好办了。只需要地对生成的 AST 进行深度优先遍历，遍历的同时维护一个数组，这个数组保存着 render 函数的每一行的代码：
function CodeGen (ast) {
this.lines = []
this.walk(ast)
this.body = this.lines.join("
")
}
var pp = CodeGen.prototype
pp.walk = function (node) {
if (node.type === "IfStat") {
this.genIfStat(node)
} else if (node.type === "Stat") {
this.genStat(node)
} else if (node.type === "EachStat") {
...
}
...
}
pp.genIfStat = function (node) {
var expr = node.label.replace(/(^{s*ifs*)|(s*}$)/g, "")
this.lines.push("if (" + expr + ") {")
if (node.body) {
this.walk(node.body)
}
if (node.elseifs) {
var self = this
_.each(node.elseifs, function (elseif) {
self.walk(elseif)
})
}
if (node.elsebody) {
this.lines.push(indent + "} else {")
this.walk(node.elsebody)
}
this.lines.push("}")
}
// ...
CodeGen 类接受已经生成的 AST 的根节点，然后 this.walk(ast) 会对不同的节点类型进行解析。例如对于 IfStat 类型的节点：
{
type: "IfStat",
label: "{if user.isAdmin}"
body: {...}
elseifs: [{...}, {...}, {...}],
elsebody: {...}
}
genIfStat 会把 "{if user.isAdmin}" 中的 user.isAdmin 抽离出来，然后拼接 JavaScript 的 if 语句，push 到 this.lines 中：
var expr = node.label.replace(/(^{s*ifs*)|(s*}$)/g, "")
this.lines.push("if (" + expr + ") {")
然后会递归的对 elseifs 和 elsebody 进行遍历和解析，最后给 if 语句补上 }。所以如果 elseifs 和 elsebody 都不存在，this.lines 上就会有：
["if (user.isAdmin) {", , "}"]
其它的结构和 IfStat 同理的解析和拼接方式，例如 EachStat:
pp.genEachStat = function (node) {
var expr = node.label.replace(/(^{s*eachs*)|(s*}$)/g, "")
var tokens = expr.split(/s+/)
var list = tokens[0]
var item = tokens[2]
var key = tokens[3]
this.lines.push(
"for (var " + key + " = 0, len = " + list + ".length; " + key + " < len; " + key + "++) {"
)
this.lines.push("var " + item + " = " + list + "[" + key + "];")
if (node.body) {
this.walk(node.body)
}
this.lines.push("}")
}
最后递归构造完成以后，this.lines.join(" ") 就把整个函数的体构建起来：
if (user.isAdmin) {
...
}
for (var ...) {
...
}
这时候 render 函数的函数体就有了，直接通过 new Function 构建 render 函数：
var code = new CodeGen(ast)
var render = new Function("el", "data", code.body)
el 是需要注入的构建 Virtual-DOM 的构建函数，data 需要渲染的数据状态：
var svd = require("simple-virtual-dom")
var root = render(svd.el, {users: [{isAdmin: true}]})
从模版 -> Virtual-DOM 的 render 函数 -> Virtual-DOM 的过程就完成了。完整的代码生成的过程可以参考：codegen.js
5. 完整的 Virtual-Template其实拿到 render 函数以后，每次手动进行 diff 和 patch 都是重复操作。可以把 diff 和 patch 也封装起来，只暴露一个 setData 的 API 。每次数据变更的时候，只需要 setData 就可以更新到 DOM 元素上（就像 ReactJS 的 setState）：
// vTemplate.compile 编译模版字符串，返回一个函数
var usersListTpl = vTemplate.compile(tplStr)
// userListTpl 传入初始数据状态，返回一个实例
var usersList = usersListTpl({
title: "Users List",
users: [
{id: "user0", name: "Jerry", isAdmin: true},
{id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true},
{id: "user2", name: "Tomy"}
]
})
// 返回的实例有 dom 元素和一个 setData 的 API
document.appendChild(usersList.dom)
// 需要变更数据的时候，setData 一下即可
usersList.setData({
title: "Users",
users: [
{id: "user1", name: "Lucy", isAuthor: true},
{id: "user2", name: "Tomy"}
]
})
完整的 Virtual-Template 源码托管在 github 。
6. 结语这个过程其实和 ReactJS 的 JSX 差不多。就拿 Babel 的 JSX 语法实现而言，它的 parser 叫 babylon。而 babylon 基于一个叫 acorn 的 JavaScript 编写的 JavaScript 解释器和它的 JSX 插件 acorn-jsx。其实就是利用 acorn 把文本分割成 tokens，而 JSX 语法分析部分由 acorn-jsx 完成。
Virtual-Template 还不能应用于实际的生产环境，需要完善的东西还有很多。本文记录基本的分析和实现的过程，也有助于更好地理解和学习 ReactJS 的实现。
（全文完）
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