Programming with Virtual Machine

by thinker

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在學校時，大概有不少人聽過這樣的$想法$ (OS) ，我們的軟體系統是透過定義一層又一層的 Virtual Machine 而建構起來的。我們程式，是在作業系統和 library 所造構出來的 VM 裡，使用 VM 所提供的指令 (API) ，建構程式的$應用$。

VM 能隱藏下層系統的複雜度，提供豐富的功能，而不必一一實作。程式將更簡單，連帶的，也更容易了解。例如，實作一個 media player ，我們需要實作各種不同的 codec ，參考了各種不同的技術和知識，系統複雜度相對的高。若以 gstreamer 為基礎，在其上實作一個 media player ，我們只需要 gstreamer (API) 的相關知識。gstreamer 建構的 VM ，使 media player 程式碼相對減少，直接參考的相關技術和知識也少很多。很明顯的， VM 的概念，能讓我們的事情更易於處理。我們不需去考量到 VM 的實作，只需知道 VM 提供什麼樣的功能。對容量有限的人腦而言，絕對一項思考利器。

我們平常在 $coding$ 時，除了使用現成 library 提供的 VM 之外，對於自己的 code ，也應該多加利用 VM 的概念，將問題切割成不同層次處理，以改善程式的可理解性/可讀性，同時也能提高程式碼的穩定度，減少 bug 的數量。

人腦的工作區域的容量很小，有所謂短期記憶只能記下七件事左右的限制。思考的過程，其實很依賴短期記憶，因而人腦其實較適於處理小問題，變數愈多的問題，大腦愈難以處理。問題愈大，大腦的錯誤率愈高。還好，人腦有抽象化的能力，透過抽象化，能將問題的細節隱藏，使大問題簡化成較高層次、變數較少的抽象問題。

因此，利用 VM 的概念，我們能將問題切割成不同的層面，從容不迫的分別處理，得到更好的思考品質。以下是一個分析 SQL command 的例子。
{{{#!cpp
#define NEXT_TKN() { r = sql_token(&p, &q); }
#define DUPTKN() {tkn = strndup(q, p - q); if(tkn == NULL) return ERR;}
#define IS_LEXEME(x) ((*q == *(x) || *q == (*(x) - 32)) &&      \
                      strlen(x) == (p - q) &&                   \
                      strncasecmp(q, x, p - q) == 0)
#define IS_KEYWORD(kw) (r == SQL_ALPHA &&                       \
                        IS_LEXME(kw))
#define IS_OP(o) (r == SQL_OP && *q == o)
#define IS_KEYWORDS() (r == SQL_ALPHA &&                        \
                       (IS_LEXEME("select") ||                  \
                        IS_LEXEME("from") ||                    \
                        IS_LEXEME("join") ||                    \
                        IS_LEXEME("on") ||                      \
                        IS_LEXEME("where") ||                   \
                        IS_LEXEME("update") ||                  \
                        IS_LEXEME("set") ||                     \
                        IS_LEXEME("insert") ||                  \
                        IS_LEXEME("into") ||                    \
                        IS_LEXEME("values") ||                  \
                        IS_LEXEME("group") ||                   \
                        IS_LEXEME("by") ||                      \
                        IS_LEXEME("order") ||                   \
                        IS_LEXEME("asc") ||                     \
                        IS_LEXEME("desc") ||                    \
                        IS_LEXEME("limit")))
#define IS_VAR() (r == SQL_ALPHA &&             \
                  !IS_KEYWORDS() &&             \
                  !IS_OPS())

static
int _check_insert(char **tbname, strnode **fields,const char *query) {
    const char *p, *q;
    char *tkn;
    int r;

p = query;
    NEXT_TKN();
    _ASSERT(IS_KEYWORD("insert"));
    
    NEXT_TKN();
    _ASSERT(IS_KEYWORD("into"));

NEXT_TKN();
    _ASSERT(IS_VAR());
    DUPTKN();
    *tbname = tkn;

NEXT_TKN();
    if(IS_OP('(')) {
        while((r = sql_token(&p, &q)) > 0) {
            _ASSERT(IS_VAR());
            DUPTKN();
            add_strnode(fields, tkn);

NEXT_TKN();
            if(!IS_OP(','))
                break;
        }
        _ASSERT(IS_OP(')'));
        NEXT_TKN();
    }

_ASSERT(IS_KEYWORD("values"));

NEXT_TKN();
    _ASSERT(IS_OP('('));

while((r = sql_token(&p, &q)) > 0) {
        _ASSERT(IS_LITERAL());
        NEXT_TKN();
        if(!IS_OP(','))
            break;
    }

_ASSERT(IS_OP(')'));

NEXT_TKN();
    _ASSERT(r == 0);

return OK;
}
}}}
我們透過巨集建立一組指令，在這組指令上形成一個 VM ，透過 VM 的使用，我們大大的簡化 function 的邏輯，將 VM 實作的細節都隱藏起來。而 VM 又只實作一小部分的功能，其複雜度也較低，易於處理。於是，透過 VM 的使用，我們將一個大問題切割成數個易於處理的小問題，如此我們能處理的更快、更好，也有更高的品質。若不建立 VM ，我們程式的邏輯將複雜到難以處理，將花數倍的時間解決 bug 。例如，將上面的程式展開後如下
{{{#!cpp
static
int _check_insert(char **tbname, strnode **fields,const char *query) {
    const char *p, *q;
    char *tkn;
    int r;

p = query;
    { r = sql_token(&p, &q); };
    if(!((r == SQL_ALPHA && ((*q == *("insert") || *q == (*("insert") - 32)) && strlen("insert") == (p - q) && strncasecmp(q, "insert", p - q) == 0)))) return 1;;

{ r = sql_token(&p, &q); };
    if(!((r == SQL_ALPHA && ((*q == *("into") || *q == (*("into") - 32)) && strlen("into") == (p - q) && strncasecmp(q, "into", p - q) == 0)))) return 1;;

{ r = sql_token(&p, &q); };
    if(!((r == SQL_ALPHA && !(r == SQL_ALPHA && (((*q == *("select") || *q == (*("select") - 32)) && strlen("select") == (p - q) && strncasecmp(q, "select", p - q) == 0) || ((*q == *("from") || *q == (*("from") - 32)) && strlen("from") == (p - q) && strncasecmp(q, "from", p - q) == 0) || ((*q == *("join") || *q == (*("join") - 32)) && strlen("join") == (p - q) && strncasecmp(q, "join", p - q) == 0) || ((*q == *("on") || *q == (*("on") - 32)) && strlen("on") == (p - q) && strncasecmp(q, "on", p - q) == 0) || ((*q == *("where") || *q == (*("where") - 32)) && strlen("where") == (p - q) && strncasecmp(q, "where", p - q) == 0) || ((*q == *("update") || *q == (*("update") - 32)) && strlen("update") == (p - q) && strncasecmp(q, "update", p - q) == 0) || ((*q == *("set") || *q == (*("set") - 32)) && strlen("set") == (p - q) && strncasecmp(q, "set", p - q) == 0) || ((*q == *("insert") || *q == (*("insert") - 32)) && strlen("insert") == (p - q) && strncasecmp(q, "insert", p - q) == 0) || ((*q == *("into") || *q == (*("into") - 32)) && strlen("into") == (p - q) && strncasecmp(q, "into", p - q) == 0) || ((*q == *("values") || *q == (*("values") - 32)) && strlen("values") == (p - q) && strncasecmp(q, "values", p - q) == 0) || ((*q == *("group") || *q == (*("group") - 32)) && strlen("group") == (p - q) && strncasecmp(q, "group", p - q) == 0) || ((*q == *("by") || *q == (*("by") - 32)) && strlen("by") == (p - q) && strncasecmp(q, "by", p - q) == 0) || ((*q == *("order") || *q == (*("order") - 32)) && strlen("order") == (p - q) && strncasecmp(q, "order", p - q) == 0) || ((*q == *("asc") || *q == (*("asc") - 32)) && strlen("asc") == (p - q) && strncasecmp(q, "asc", p - q) == 0) || ((*q == *("desc") || *q == (*("desc") - 32)) && strlen("desc") == (p - q) && strncasecmp(q, "desc", p - q) == 0) || ((*q == *("limit") || *q == (*("limit") - 32)) && strlen("limit") == (p - q) && strncasecmp(q, "limit", p - q) == 0))) && !((r == SQL_OP && *q != '.' && *q != '*' && *q != '(' && *q != ')') || (r == SQL_ALPHA && (((*q == *("and") || *q == (*("and") - 32)) && strlen("and") == (p - q) && strncasecmp(q, "and", p - q) == 0) || ((*q == *("or") || *q == (*("or") - 32)) && strlen("or") == (p - q) && strncasecmp(q, "or", p - q) == 0) || ((*q == *("not") || *q == (*("not") - 32)) && strlen("not") == (p - q) && strncasecmp(q, "not", p - q) == 0))))))) return 1;;
    {tkn = strndup(q, p - q); if(tkn == ((void *)0)) return 1;};
    *tbname = tkn;

if((r == SQL_OP && *q == '(')) {
 while((r = sql_token(&p, &q)) > 0) {
     if(!((r == SQL_ALPHA && !(r == SQL_ALPHA && (((*q == *("select") || *q == (*("select") - 32)) && strlen("select") == (p - q) && strncasecmp(q, "select", p - q) == 0) || ((*q == *("from") || *q == (*("from") - 32)) && strlen("from") == (p - q) && strncasecmp(q, "from", p - q) == 0) || ((*q == *("join") || *q == (*("join") - 32)) && strlen("join") == (p - q) && strncasecmp(q, "join", p - q) == 0) || ((*q == *("on") || *q == (*("on") - 32)) && strlen("on") == (p - q) && strncasecmp(q, "on", p - q) == 0) || ((*q == *("where") || *q == (*("where") - 32)) && strlen("where") == (p - q) && strncasecmp(q, "where", p - q) == 0) || ((*q == *("update") || *q == (*("update") - 32)) && strlen("update") == (p - q) && strncasecmp(q, "update", p - q) == 0) || ((*q == *("set") || *q == (*("set") - 32)) && strlen("set") == (p - q) && strncasecmp(q, "set", p - q) == 0) || ((*q == *("insert") || *q == (*("insert") - 32)) && strlen("insert") == (p - q) && strncasecmp(q, "insert", p - q) == 0) || ((*q == *("into") || *q == (*("into") - 32)) && strlen("into") == (p - q) && strncasecmp(q, "into", p - q) == 0) || ((*q == *("values") || *q == (*("values") - 32)) && strlen("values") == (p - q) && strncasecmp(q, "values", p - q) == 0) || ((*q == *("group") || *q == (*("group") - 32)) && strlen("group") == (p - q) && strncasecmp(q, "group", p - q) == 0) || ((*q == *("by") || *q == (*("by") - 32)) && strlen("by") == (p - q) && strncasecmp(q, "by", p - q) == 0) || ((*q == *("order") || *q == (*("order") - 32)) && strlen("order") == (p - q) && strncasecmp(q, "order", p - q) == 0) || ((*q == *("asc") || *q == (*("asc") - 32)) && strlen("asc") == (p - q) && strncasecmp(q, "asc", p - q) == 0) || ((*q == *("desc") || *q == (*("desc") - 32)) && strlen("desc") == (p - q) && strncasecmp(q, "desc", p - q) == 0) || ((*q == *("limit") || *q == (*("limit") - 32)) && strlen("limit") == (p - q) && strncasecmp(q, "limit", p - q) == 0))) && !((r == SQL_OP && *q != '.' && *q != '*' && *q != '(' && *q != ')') || (r == SQL_ALPHA && (((*q == *("and") || *q == (*("and") - 32)) && strlen("and") == (p - q) && strncasecmp(q, "and", p - q) == 0) || ((*q == *("or") || *q == (*("or") - 32)) && strlen("or") == (p - q) && strncasecmp(q, "or", p - q) == 0) || ((*q == *("not") || *q == (*("not") - 32)) && strlen("not") == (p - q) && strncasecmp(q, "not", p - q) == 0))))))) return 1;;
     {tkn = strndup(q, p - q); if(tkn == ((void *)0)) return 1;};
     add_strnode(fields, tkn);

{ r = sql_token(&p, &q); };
     if(!(r == SQL_OP && *q == ','))
  break;
 }
 if(!((r == SQL_OP && *q == ')'))) return 1;;
 { r = sql_token(&p, &q); };
    }

if(!((r == SQL_ALPHA && ((*q == *("values") || *q == (*("values") - 32)) && strlen("values") == (p - q) && strncasecmp(q, "values", p - q) == 0)))) return 1;;

{ r = sql_token(&p, &q); };
    if(!((r == SQL_OP && *q == '('))) return 1;;

while((r = sql_token(&p, &q)) > 0) {
 if(!((r == SQL_DIGIT || r == SQL_STR))) return 1;;
 { r = sql_token(&p, &q); };
 if(!(r == SQL_OP && *q == ','))
     break;
    }

if(!((r == SQL_OP && *q == ')'))) return 1;;

{ r = sql_token(&p, &q); };
    if(!(r == 0)) return 1;;

return 0;
}
}}}
以上是使用 `gc -E' 展開後的結果。雖然是一樣的邏輯，但腦容量小如我者，實在難以處理。

事實上，以 VM 的形式實作，指令名稱能夠承載明確的語意。我們以 _ASSERT() 為例:
{{{#!cpp
if(r != SQL_OP)
    return ERR;
}}}
和
{{{#!cpp
_ASSERT(r == SQL_OP);
}}}
後者的語意更為明確，前都必需先從 if 語法，在腦裡轉了一圈之後，才能了解是「檢查 r 必需為 SQL_OP，否則是一種錯誤」，而 _ASSERT() 則很明確的告訴讀 code 的人 「 r 必需為 SQL_OP」。另外， _ASSERT() 也隱藏了錯誤處理的邏輯，讓程式以更為線性的方式陳述。

以上的例子，我們透過巨集的使用，在 function level 建立 VM ，使的程式的邏輯能有清楚的劃分，讓整體更為清晰。我們應該在 programming 的各個階段，都盡可能的使用 VM 的觀念。隨時假設我們在設計一顆有加值功能的 CPU，讓上層$應用$能更輕鬆完成工作。即使在 $coding$ 一個 function 的層次，我們都能使用，以清晰我們的邏輯。

最後更新時間: 2008-06-21 19:37:21 CST | 引用

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