从零构建编程语言：PLZoo 开源项目全攻略

从零构建编程语言：PLZoo 开源项目全攻略

引言：你还在为编程语言实现头疼吗？

你是否曾好奇编程语言背后的实现原理？想亲手打造一门属于自己的编程语言，却不知从何下手？面对复杂的编译器理论和抽象语法树（Abstract Syntax Tree, AST）感到望而却步？

本文将带你深入探索 Programming Languages Zoo（PLZoo）——一个集合了12种迷你编程语言实现的开源项目。通过本文，你将能够：

• 理解PLZoo项目的核心架构与设计理念
• 掌握从词法分析到代码执行的完整语言实现流程
• 学习不同类型编程语言（函数式、逻辑式、面向对象）的实现差异
• 获取从零开始构建编程语言的实战指南与最佳实践

PLZoo项目概述

什么是PLZoo？

PLZoo（Programming Languages Zoo）是一个开源项目，包含了多种迷你编程语言的实现，旨在展示编程语言实现中的各种核心技术。项目由Andrej Bauer教授发起，是学习编程语言设计与实现的理想起点。

项目架构概览

PLZoo采用模块化设计，每种语言实现都包含独立的目录，遵循统一的结构：

src/
├── 语言名称/
│   ├── lexer.mll        # 词法分析器（使用OCaml Lex）
│   ├── parser.mly       # 语法分析器（使用OCaml Yacc）
│   ├── syntax.ml        # 抽象语法树定义
│   ├── eval.ml          # 解释器/求值器
│   ├── example.xxx      # 示例程序
│   ├── tagline.md       # 语言特性标签
│   └── README.md        # 语言说明文档

项目获取与安装

# 克隆项目仓库
git clone https://gitcode.com/gh_mirrors/pl/plzoo

# 进入项目目录
cd plzoo

# 构建项目（需要OCaml环境）
dune build

PLZoo核心语言实现分析

语言家族图谱

PLZoo包含12种不同类型的编程语言实现，涵盖了多种编程范式：

典型语言实现详解

1. Lambda：无类型λ演算实现

核心特性：无类型λ演算，多种求值策略

λ演算是函数式编程的理论基础，PLZoo中的lambda实现包含：

• 完整的λ表达式解析器
• α转换（变量重命名）和β归约（函数应用）
• 多种求值策略：正常顺序、应用顺序、值调用

关键实现文件：

• lexer.mll: λ表达式的词法分析
• parser.mly: 语法分析，生成抽象语法树
• norm.ml: 归一化处理，实现不同的求值策略

2. Miniprolog：逻辑编程语言

核心特性：Horn子句，合一算法，逻辑推理

Miniprolog实现了Prolog语言的核心功能：

合一算法实现（unify.ml）：

let rec unify a b =
  match (a, b) with
  | (Var x, t) | (t, Var x) -> bind x t
  | (Const a, Const b) -> if a = b then empty_subst else failwith "Unification failed"
  | (App(f1, a1), App(f2, a2)) ->
      let s1 = unify f1 f2 in
      let s2 = unify (apply_subst s1 a1) (apply_subst s1 a2) in
      compose s2 s1
  | _ -> failwith "Unification failed"

3. Boa：面向对象语言

核心特性：面向对象，动态类型，一等函数，可扩展对象

Boa语言展示了面向对象编程的核心概念：

• 对象（Object）的定义与实例化
• 方法（Method）的定义与调用
• 继承（Inheritance）机制的实现

从0到1构建简易编程语言

实现流程概览

构建一门简单编程语言通常需要以下步骤：

简易计算器实现示例

以下是基于PLZoo中calc语言的简化实现，展示一个支持加减乘除的计算器：

1. 词法分析器（lexer.mll）

{
  open Parser
}

rule token = parse
  | [' ' '\t' '\n'] { token lexbuf }
  | '+' { PLUS }
  | '-' { MINUS }
  | '*' { MUL }
  | '/' { DIV }
  | ['0'-'9']+ as n { NUM (int_of_string n) }
  | '(' { LPAREN }
  | ')' { RPAREN }
  | eof { EOF }

2. 语法分析器（parser.mly）

%{
  type expr =
    | Num of int
    | Add of expr * expr
    | Sub of expr * expr
    | Mul of expr * expr
    | Div of expr * expr
%}

%token <int> NUM
%token PLUS MINUS MUL DIV LPAREN RPAREN EOF
%left PLUS MINUS
%left MUL DIV

%start expr
%type <expr> expr

%%

expr:
  | NUM { Num $1 }
  | expr PLUS expr { Add ($1, $3) }
  | expr MINUS expr { Sub ($1, $3) }
  | expr MUL expr { Mul ($1, $3) }
  | expr DIV expr { Div ($1, $3) }
  | LPAREN expr RPAREN { $2 }

3. 求值器（eval.ml）

type expr =
  | Num of int
  | Add of expr * expr
  | Sub of expr * expr
  | Mul of expr * expr
  | Div of expr * expr

let rec eval = function
  | Num n -> n
  | Add (e1, e2) -> eval e1 + eval e2
  | Sub (e1, e2) -> eval e1 - eval e2
  | Mul (e1, e2) -> eval e1 * eval e2
  | Div (e1, e2) -> eval e1 / eval e2

4. 示例程序（example.calc）

1 + 2 * 3
(4 + 5) / 3
10 - 2 * (3 + 1)

运行结果：

7
3
2

进阶应用：扩展PLZoo语言

扩展Miniprolog支持算术运算

PLZoo中的miniprolog语言可以通过添加算术运算功能进行扩展。以下是实现步骤：

1. 修改词法分析器，添加数字和算术运算符识别
2. 扩展语法分析器，支持算术表达式
3. 实现算术表达式求值函数
4. 修改合一算法，支持算术运算合一

关键代码示例（solve.ml）：

let rec eval_arith = function
  | Var x -> failwith "Unbound variable in arithmetic expression"
  | Num n -> n
  | Add (a, b) -> eval_arith a + eval_arith b
  | Sub (a, b) -> eval_arith a - eval_arith b
  | Mul (a, b) -> eval_arith a * eval_arith b
  | Div (a, b) -> eval_arith a / eval_arith b

let solve_arith_goal a b =
  eval_arith a = eval_arith b

为Lambda语言添加类型检查

PLZoo中的lambda语言是无类型的，可以通过添加简单的类型系统进行扩展：

(* 类型定义 *)
type typ =
  | TInt
  | TBool
  | TFun of typ * typ
  | TVar of string

(* 类型环境 *)
type context = (string * typ) list

(* 类型检查函数 *)
let rec type_check ctx = function
  | Var x -> lookup x ctx
  | App (e1, e2) ->
      let t1 = type_check ctx e1 in
      let t2 = type_check ctx e2 in
      (match t1 with
       | TFun (t11, t12) when t11 = t2 -> t12
       | _ -> failwith "Type mismatch in application")
  | Abs (x, t, e) ->
      TFun (t, type_check ((x, t) :: ctx) e)
  | Int _ -> TInt
  | Bool _ -> TBool

常见问题与解决方案

Q1: 如何理解不同语言的求值策略差异？

A: PLZoo中的多种语言实现了不同的求值策略：

语言	求值策略	特点
lambda	正常顺序	最左最外归约，可能导致冗余计算
lambda	应用顺序	最左最内归约，可能导致非终止
lambda	值调用	仅归约到值，最常用的策略
levy	按名调用	延迟计算，避免冗余计算

Q2: 如何调试语法分析器错误？

A: 调试语法分析器错误的常用方法：

1. 检查语法规则定义是否存在冲突
2. 使用ocamlyacc -v生成详细的状态报告
3. 添加调试输出，打印解析过程中的状态变化
4. 简化问题，逐步构建最小可重现示例

Q3: 如何为新语言添加REPL支持？

A: 添加REPL（Read-Eval-Print Loop）支持的步骤：

代码示例：

let rec repl () =
  print_string "> ";
  flush stdout;
  let input = read_line () in
  let lexbuf = Lexing.from_string input in
  try
    let expr = Parser.main Lexer.token lexbuf in
    let result = Eval.eval expr in
    print_endline (string_of_result result);
    repl ()
  with
  | Lexer.Error msg ->
      print_endline ("Lex error: " ^ msg);
      repl ()
  | Parser.Error ->
      print_endline "Parse error";
      repl ()

总结与展望

核心知识点回顾

通过本文，我们深入探索了PLZoo开源项目，学习了：

1. PLZoo项目架构与12种迷你语言的实现
2. 编程语言实现的关键组件：词法分析、语法分析、语义分析和执行
3. 不同编程范式（函数式、逻辑式、面向对象）的实现差异
4. 从零构建简易计算器的完整流程
5. 扩展现有语言功能的方法与技巧

下一步学习路径

1. 深入学习编译原理：阅读《编译原理》（龙书），掌握高级编译技术
2. 探索类型系统：研究PLZoo中的poly和sub语言，学习类型推断和子类型
3. 实现JIT编译器：尝试为miniml添加JIT编译支持
4. 开发新语言：基于PLZoo框架，设计并实现一门新的编程语言

结语

PLZoo为我们提供了一个难得的机会，通过研究真实的编程语言实现来深入理解编程语言理论。无论是对编程语言设计感兴趣的学生，还是希望提升编译器开发技能的工程师，PLZoo都是一个宝贵的资源。

希望本文能够帮助你开启编程语言实现之旅。记住，最好的学习方式是动手实践——选择一个PLZoo中的语言，尝试修改它，扩展它，甚至创建全新的语言！

附录：PLZoo语言特性速查表

语言名称	范式	核心特性	关键文件
lambda	函数式	无类型λ演算，多种求值策略	norm.ml
miniml	函数式	静态类型，编译器，抽象机	compile.ml, machine.ml
miniprolog	逻辑式	Horn子句，合一，回溯搜索	solve.ml, unify.ml
boa	面向对象	动态类型，可扩展对象，一等函数	eval.ml, syntax.ml
calc	命令式	整数算术运算	eval.ml
calc_var	命令式	带变量的计算器	eval.ml
comm	命令式	命令式语言核心特性	syntax.ml
levy	函数式	按名调用λ演算	eval.ml
minihaskell	函数式	Haskell子集，类型系统	type_check.ml
miniml_error	函数式	带错误处理的ML	type_check.ml
poly	函数式	多态类型推断	type_infer.ml
sub	函数式	子类型系统	type_check.ml