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基于 C 语言的 JavaScript 引擎探索

使用 SpiderMonkey 脚本化您的应用

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基础知识

SpiderMonkey 简介

和其他的 JavaScript 引擎一样,SpiderMonkey 不直接提供像 DOM 这样的对象,而是提供解析,执行 JavaSccript 代码,垃圾回收等机制。SpidlerMonkey 是一个在 Mozilla 之下的开源项目,要使用 SpiderMonkey,需要下载其源码,然后编译为静态 / 动态库使用。

要在自己的应用程序中使用 SpiderMonkey,首先需要了解以下三个核心概念:

运行时环境运行时环境是所有 JavaScript 变量,对象,脚本以及代码的上下文所存在的空间。每一个上下文对象,以及所有的对象均存在于此。一般应用仅需要一个运行时即可。

上下文上下文即脚本执行的环境,在 SpiderMonkey 中,上下文可以编译执行脚本,可以存取对象的属性,调用 JavaScript 的函数,转换类型,创建 / 维护对象等。几乎所有的 SpiderMonkey 函数都需要上下文作为其第一个参数 (JSContext *)。

上下文与线程密不可分,一般来讲,单线程应用可以使用一个上下文来完成所有的操作,每一个上下文每次只能完成一个操作,所有在多线程应用中,同一时刻只能有一个线程来使用上下文对象。一般而言,多线程应用中,每个线程对应一个上下文。

全局对象全局对象包含 JavaScript 代码所用到的所有类,函数,变量。在 DOM 操作中,我们使用的:

 alter("something");

事实上使用的是全局变量 window 的一个属性 alter( 这个属性正好是一个函数 ),事实上上边的语句在执行时会别解释为:

 window.alter("something");

三者的关系如下图所示:

图 1. 引擎内部结构依赖关系
图 1. 引擎内部结构依赖关系
图 1. 引擎内部结构依赖关系

安装 SpiderMonkey

首先从 SpiderMonkey 的代码库中下载其源码包 js-1.7.0.tar.gz 本文在 Linux 环境下编译,SpiderMonkey 的编译安装很容易:

 # 解压缩
 tar xvzf js-1.7.0.tar.gz 

 # 切换至源码目录
 cd js-1.7.0/src 

 # 编译
 make -f Makefile.ref

编译完成之后,会生成一个新的目录,这个目录的名称依赖于平台,比如在 Linux 下,名称为:Linux_All_DBG.OBJ,其中包含静态链接库 libjs.a 和动态链接库 libjs.so 等。本文后续的编译环境就需要依赖于我们此处编译出来的库文件。应该注意的是,此处编译出来的库文件包含对调试的支持,体积较大,在应用程序发布时,可以去掉这些调试支持,使用下列重新编译库:

 # 创建非 debug 模式的库
 make BUILD_OPT=1 -f Makefile.ref

Windows 及其他平台的编译此处不再赘述,读者可以自行参考 SpiderMonkey 的官方文档。

JavaScript 对象与 C 对象间的转换关系

JavaScript 是一门弱类型的语言,变量的值的类型在运行时才确定,而且可以在运行时被修改为其他类型的变量;而 C 语言,是一门静态类型的语言,变量类型在编译时就已经确定。因此,这两者之间变量的互访就有了一定的难度,SpiderMonkey 提供了一个通用的数据类型 jsval 来完成两者之间的交互。

事实上,在 C 代码中定义的 jsval 类型的变量可以是 JavaScript 中的字符串,数字,对象,布尔值,以及 null 或者 undefined。基于这个类型,SpiderMonkey 提供了大量的类型判断及类型转换的宏和函数。可以参看下表:

表 1. JavaScript 对象与 C 对象转换表
JavaScript 类型jsval 类型判断jsval 常量jsval 转化
null JSVAL_IS_NULL(v) JSVAL_NULL
Undefined JSVAL_IS_VOID(v) JSVAL_VOID
Boolean JSVAL_IS_BOOLEAN(v) JSVAL_TRUE,
JSVAL_FALSE,
BOOLEAN_TO_JSVAL(b)
JSVAL_TO_BOOLEAN(v)
number JSVAL_IS_NUMBER(v),
JSVAL_IS_INT(v),
JSVAL_IS_DOUBLE(v)
INT_TO_JSVAL(i),
DOUBLE_TO_JSVAL(d)
JSVAL_TO_INT(v),
JSVAL_TO_DOUBLE(v)
string JSVAL_IS_STRING(v) STRING_TO_JSVAL(s) JSVAL_TO_STRING(v),
JS_GetStringChars(s),
JS_GetStringLength(s)
object JSVAL_IS_OBJECT(v)
&& JSVAL_IS_NULL(v)
OBJECT_TO_JSVAL(o)JSVAL_TO_OBJECT(v)

应该注意的是,jsval 有一定的缺陷:

  • jsval 并非完全的类型安全,在进行类型转换之前,你需要明确被转换的对象的真正类型,比如一个变量的值为 number 类型,而对其做向字符串的转化,则可能引起程序崩溃。解决方法是,在转换之前,先做判断。
  • jsval 是 SpiderMonkey 垃圾回收机制的主要目标,如果 jsval 引用一个 JavaScript 对象,但是垃圾收集器无法得知这一点,一旦该对象被释放,jsval 就会引用到一个悬空指针。这样很容易使得程序崩溃。解决方法是,在引用了 JavaScript 对象之后,需要显式的告知垃圾收集器,不引用时,再次通知垃圾收集器。

简单示例

基本代码模板

基本流程

使用 SpiderMonkey,一般来讲会使用以下流程:

  • 创建运行时环境
  • 创建一个 / 多个上下文对象
  • 初始化全局对象
  • 执行脚本,处理结果
  • 释放引擎资源

在下一小节详细说明每个流程

代码模板

使用 SpiderMonkey,有部分代码是几乎每个应用程序都会使用的,比如错误报告,初始化运行时环境,上下文,全局变量,实例化全局变量等操作。这里是一个典型的模板:

清单 1. 必须包含的头文件
#include "jsapi.h"

引入 jsapi.h,声明引擎中的所用到的记号,结构体,函数签名等,这是使用 SpiderMonkey 所需的唯一一个接口文件 ( 当然,jsapi.h 中不可能定义所有的接口,这些文件在 jsapi.h 头部引入 jsapi.h,如果对 C 语言的接口,头文件引入方式不熟悉的读者,请参阅相关资料 )。

清单 2. 全局变量声明
 /* 全局变量的类声明 */ 
static JSClass global_class = { 
    "global", 
    JSCLASS_GLOBAL_FLAGS, 
    JS_PropertyStub, 
    JS_PropertyStub, 
    JS_PropertyStub, 
    JS_PropertyStub, 
    JS_EnumerateStub, 
    JS_ResolveStub, 
    JS_ConvertStub, 
    JS_FinalizeStub, 
    JSCLASS_NO_OPTIONAL_MEMBERS 
 };

JSClass 是一个较为重要的数据结构,定义了 JavaScript 对象的基本结构 ---“类”,这个类可以通过 SpiderMonkey 引擎来实例化为对象。JS_PropertyStub 是 JS_PropertyOp 类型的变量,这里的 JS_PropertyStub 是为了提供一个默认值。JS_PropertyOp 可以用做对象的 setter/getter 等的,这些内容我们将在后边的章节详细讨论。

清单 3. 错误处理函数
 /* 错误处理函数,用于回调,打印详细信息 */ 
 void report_error(JSContext *cx,  const char *message, JSErrorReport *report){ 
    fprintf(stderr, "%s:%u:%s\n", 
    		 report->filename ? report->filename : "<no filename>", 
            (unsigned int) report->lineno, 
            message); 
 }

定义好这些结构之后,我们需要实例化这些结构,使之成为内存对象,流程如下:

清单 4. 主流程
				int main(int argc, char *argv[]){ 
    JSRuntime *runtime; 
    JSContext *context; 
    JSObject *global; 

	 // 创建新的运行时 8M 
    runtime = JS_NewRuntime(8L * 1024L * 1024L); 
    if (runtime == NULL){ 
        return -1; 
    } 

	 // 创建新的上下文
    context = JS_NewContext(runtime, 8*1024); 
    if (context == NULL){ 
        return -1; 
    } 

	 // 
    JS_SetOptions(context, JSOPTION_VAROBJFIX); 
    // 设置错误回调函数 , report_error 函数定义如上
	 JS_SetErrorReporter(context, report_error); 

	 // 创建一个新的 JavaScript 对象
    global = JS_NewObject(context, &global_class, NULL, NULL); 
    if (global == NULL){ 
        return -1; 
    } 

	 // 实例化 global, 加入对象,数组等支持
    if (!JS_InitStandardClasses(context, global)){ 
        return -1; 
    } 

	 // 
	 // 使用 global, context 等来完成其他操作,用户定制代码由此开始
	 // 

	 // 释放上下文对象
    JS_DestroyContext(context); 
	 // 释放运行时环境
    JS_DestroyRuntime(runtime); 
	 // 停止 JS 虚拟机
    JS_ShutDown(); 

	 return 0; 
 }

用户自己的代码从上边代码中部注释部分开始,用户代码可以使用此处的 context 对象及预设过一定属性,方法的 global 对象。

执行 JavaScript 代码

执行 JavaScript 代码片段

执行 JS 最简单的方式,是将脚本作为字符串交给引擎来解释执行,执行完成之后释放临时的脚本对象等。SpiderMonkey 提供一个 JS_EvaluateScript 函数,原型如下:

清单 5. 执行 JS 代码的函数原型
 JSBool JS_EvaluateScript(JSContext *cx, JSObject *obj, 
    const char *src, uintN length, constchar *filename, 
    uintN lineno, jsval *rval);

使用这个函数,需要提供上下文,全局变量,字符串形式的脚本,脚本长度及返回值指针,脚本名和行号参数可以填空值 ( 分别为 NULL 和 0)。如果函数返回 JS_TRUE,表示执行成功,执行结果存放在 rval 参数中,否则执行失败,rval 中的值为 undefined。我们可以具体来看一个例子:

清单 6. 执行 JS 代码片段
	char *script = "(function(a, b){return a * b;})(15, 6);"; 
	 jsval rval; 

	 status = JS_EvaluateScript(context, global, script, strlen(script)\ 
	        , NULL, 0, &rval); 

	if (status == JS_TRUE){ 
	    jsdouble d; 
	    JS_ValueToNumber(context, rval, &d); 
	    printf("eval result = %f\n", d); 
	 }

执行结果为:

 eval result = 90.000000

编译 JavaScript 代码

通常,我们可能会多次执行一段脚本,SpiderMonkey 可以将脚本编译成 JSScript 对象,然后可以供后续的多次调用。现在来看一个例子,使用 C 代码编译一个 JavaScript 脚本,然后运行这个脚本。

清单 7. 从文件加载并执行脚本
 JSBool evalScriptFromFile(JSContext *cntext, const
	char *file){ 
    JSScript *script; 
    JSString *jss; 
    JSBool status; 
    jsval value; 

    //get the global object 
    JSObject *global = JS_GetGlobalObject(context); 

    //compile the script for further using 
    script = JS_CompileFile(context, global, file); 

    if (script == NULL){ 
        return JS_FALSE; 
    } 

    //execute it once 
    status = JS_ExecuteScript(context, global, script, &value); 
    jss = JS_ValueToString(context, value); 
    printf("eval script result is : %s\n", JS_GetStringBytes(jss)); 

    //destory the script object 
    JS_DestroyScript(context, script); 

    return status; 
 }

这里传递给函数 evalScriptFromFile的 JSContext* 参数为外部创建好的 Context 对象,创建的方法参看上一节。

清单 8. 执行
 JSBool status = evalScriptFromFile(context, "jstest.js"); 
 if (status == JS_FALSE){ 
        fprintf(stderr, "error while evaluate the script\n"); 
 }

假设我们将如下脚本内容保存进一个脚本 jstest.js:

清单 9. jstest.js 脚本内容
varPerson = function(name){ 
    var _name_ = name; 
    this.getName = function(){ 
        return _name_; 
    } 

    this.setName = function(newname){ 
        _name_ = newname; 
    } 
 } 

 varjack = new Person("jack"); 
 jack.setName("john"); 
 // 最后一句将作为脚本的执行结果返回给 C 代码
 jack.getName();

jack 对象的名字现在设置为了”john”, 脚本的最后一条语句的值将作为脚本的返回值返回到 C 代码处,并打印出来:

 eval script result is : john

C 与 JavaScript 的交互

C 程序调用 JavaScript 函数

由于两者的数据类型上有较大的差异,因此无法直接从 C 代码中调用 JavaScript 代码,需要通过一定的转化,将 C 的变量转换为 JavaScript 可以设别的变量类型,然后进行参数的传递,返回值的处理也同样要经过转换。

我们在 JavaScript 中定义一个函数 add,这个函数接受两个参数然后返回传入的两个参数的和。定义如下:

清单 10. JavaScript 版本的 add
function add(x, y){ 
    return x + y; 
 }

然后,我们在 C 语言中根据名称调用这个 JS 函数:

清单 11. 从 C 代码中调用 JavaScript 函数
 JSBool func_test(JSContext *context){ 
    jsval res; 
    JSObject *global = JS_GetGlobalObject(context); 
    jsval argv[2]; 

    //new 2 number to pass into the function "add" in script 
    JS_NewNumberValue(context, 18.5, &res); 
    argv[0] = res; 
    JS_NewNumberValue(context, 23.1, &res); 
    argv[1] = res; 

    JS_CallFunctionName(context, global, "add", 2, argv, &res); 

    jsdouble d; 

    //convert the result to jsdouble 
    JS_ValueToNumber(context, res, &d); 
    printf("add result = %f\n", d); 

    return JS_TRUE; 
 }

这里需要注意的是,JS_CallFunctionName 函数的参数列表:

清单 12. JS_CallFunctionName 原型
 JSBool  JS_CallFunctionName(JSContext *cx, JSObject *obj, 
 const char *name, uintN argc, jsval *argv, jsval *rval);
表 2. JS_CallFunctionName 参数列表含义
名称类型类型描述
cxJSContext * 上下文定义
objJSObject * 调用该方法的对象
nameconst char * 函数名
argcuintN 函数参数个数
argvjsval * 函数实际参数形成的数组
rvaljsval * 返回值

参数中的 argv 是一个 jsval 形成的数组,如果直接传递 C 类型的值,则很容易出现 core dump(Linux 下的段错误所导致 ),因此,需要 JS_NewNumberValue 函数转换 C 语言的 double 到 number( 原因见对象转换小节 )。

JavaScript 程序调用 C 函数

从 JS 中调用 C 函数较上一节为复杂,我们来看一个较为有趣的例子:SpiderMonkey 中原生的 JavaScript 的全局变量中没有 print 函数,我们可以使用 C 的 printf 来实现这个功能。我们定义了一个函数 print, print 使用 logging 函数,而 logging 函数是定义在 C 语言中的,接受一个字符串作为参数,打印这个字符串到标准输出上 :

清单 13. JavaScript 调用 C 函数
 //log user log in information 
 logging("user jack login on 2010/7/6"); 

 //user do nothing else 
 nothing(); 

 //log user log out information 
 logging("user jack logout on 2010/7/7"); 

 function print(){ 
    for (vari = 0; i < arguments.length; i++){ 
        logging(arguments[i]); 
    } 
 } 

 print("hello", "all", "my", "friend");

在 C 语言中,我们定义 logging 函数和 nothing 函数的原型如下:

清单 14. C 函数的实现
 /** 
 * define an exposed function to be used in scripts 
 * print out all the incoming arguments as string. 
 */ 
 static JSBool  logging(JSContext *context, JSObject *object, uintN argc, 
        jsval *argv, jsval *value){ 
    int i = 0; 
    JSString *jss; 

    for(i = 0; i < argc; i++){ 
       jss = JS_ValueToString(context, argv[i]); 
       printf("message from script environment : %s\n", \ 
               JS_GetStringBytes(jss)); 
    } 
    return JS_TRUE; 
 } 

 /** 
 * define an exposed function to be used in scripts 
 * do nothing but print out a single line. 
 */ 
 static JSBool  nothing(JSContext *context, 
 JSObject *object, uintN argc, jsval *argv, jsval *value) 
 { 
    printf("got nothing to do at all\n"); 
    return JS_TRUE; 
 }

从函数的签名上可以看出,C 中暴露给 JS 使用的函数,参数的个数,及对应位置上的类型,返回值都是固定的。所有的从 C 中暴露给 JS 的函数都需要“实现这个接口”。

定义好了函数之后,还需要一些设置才能在 JS 中使用这些函数。首先定义一个 JSFunctionSpec 类型的数组,然后通过 JS_DefineFunctions 将这些函数放到 global 对象上,然后在 JS 代码中就可以访问上边列出的 C 函数了。具体步骤如下:

清单 15. 注册函数列表
static JSFunctionSpec functions[] = { 
    {"logging", logging, LOG_MINARGS, 0, 0}, 
    {"nothing", nothing, NOT_MINARGS, 0, 0}, 
    {0, 0, 0, 0, 0} 
 }; 

    //define function list here 
    if (!JS_DefineFunctions(context, global, functions)){ 
        return -1; 
 }

运行结果如下:

 message from script environment : user jack login on 2010/7/6 
 got nothing to do at all 
 message from script environment : user jack logout on 2010/7/7 
 message from script environment : hello 
 message from script environment : all 
 message from script environment : my 
 message from script environment : friend

在 C 程序中定义 JavaScript 对象

在 SpiderMonkey 中,在 JavaScript 中使用由 C 语言定义的对象较为复杂,一旦我们可以定义对象,使得两个世界通过 JS 交互就变得非常简单而有趣,很容易使用这样的方式来定制我们的应用,在系统发布之后仍然可以轻松的修改系统的行为。

首先,我们要定义好基本的数据结构,即我们要暴露给 JS 世界的对象的属性,结构;然后,使用 JSAPI 定义这个对象的属性;然后,使用 JSAPI 定义对象的方法;最后,创佳这个对象,并绑定其属性表和方法列表,放入全局对象。

假设我们有这样一个数据结构,用来表述一个人的简单信息 :

清单 16. PersionInfo 结构
 typedef struct{ 
    char name[32]; 
    char addr[128]; 
 }PersonInfo;

定义属性表为枚举类型:

清单 17. 属性表
enum person{ 
    NAME, 
    ADDRESS
 };

我们需要将 C 语言原生的数据结构定义为 JSAPI 所识别的那样:

清单 18. 属性定义
 //define person properties 
 JSPropertySpec pprops[] = { 
    {"name", NAME, JSPROP_ENUMERATE}, 
    {"address", ADDRESS, JSPROP_ENUMERATE}, 
    {0} 
 };
清单 19. 方法定义
 //define person methods 
 JSFunctionSpec pfuncs[] = { 
    {"print", printing, 0}, 
    {"getName", getName, 0}, 
    {"setName", setName, 0}, 
    {"getAddress", getAddress, 0}, 
    {"setAddress", setAddress, 0}, 
    {0} 
 };
清单 20. 类定义
 //define person class (JSClass) 
 JSClass pclass = { 
    "person", 0, 
    JS_PropertyStub, JS_PropertyStub, JS_PropertyStub, JS_PropertyStub, 
    JS_EnumerateStub, JS_ResolveStub, JS_ConvertStub, JS_FinalizeStub 
 };

一旦这些基本信息定义好 (pfuncs 数组中的 getter/setter 的实现比较简单,这里由于篇幅不列出代码,感兴趣的朋友可以参看附录 ),我们就可以实例化它,并将其放入上下文中,使得 JS 代码可以访问。

清单 21. 定义对象及对象的属性,方法
    JSObject *person; 

    //define the object 
    person = JS_DefineObject(\ 
            context, global, "person", &pclass, 0, JSPROP_ENUMERATE); 

    //install the properties and methods on the person object 
    JS_DefineProperties(context, person, pprops); 
    JS_DefineFunctions(context, person, pfuncs);

这样,在 JavaScript 代码中,我们就可以通过 person 这个标识符来访问 person 这个对象了:

清单 22. 测试脚本
 //undefined of course 
 person.print(); 

 //person.name = "abruzzi"; 
 //person.address = "Huang Quan Road"; 

 person.setName("Desmond"); 
 person.setAddress("HuangQuan Road"); 

 //print is global function, access properties directly 
 print("person name = " + person.name); 
 print("person address = " + person.address); 

 person.print(); 

 (function(){ 
    //using getter/setter to access properties 
    return person.getName() + " : " + person.getAddress(); 
 })();

对运行结果如下:

 name : undefined
 address : undefined
 person name = Desmond 
 person address = HuangQuan Road 
 name : Desmond 
 address : HuangQuan Road 
 eval script result is : Desmond : HuangQuan Road

结束语

本文中详细讨论了如何使用基于 C 的 JavaScript 引擎:SpiderMonkey 的用法。包括最基本的代码模板,C 代码与 JavaScript 代码之间的交互,以及在 C 代码中定义 JavaScript 对象等内容,使用这些基本概念,很容易将实现应用程序的脚本化。在实际的应用中,可以将应用程序的部分组件 ( 提供给用户自定义的组件 ) 暴露给 JavaScript 访问,或者在 JavaScript 脚本中提供函数的存根 ( 仅仅定义函数的原型 ),用户可以通过实现这些函数的具体逻辑,来实现脚本化。


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Zone=Linux
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ArticleTitle=基于 C 语言的 JavaScript 引擎探索
publish-date=02172011