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nestscript

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A script nested in JavaScript, dynamically run code in environment without `eval` and `new Function`.

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</p>

# nestscript

A script nested in JavaScript, dynamically runs code in environment without `eval` and `new Function`.

`nestscript` 可以让你在没有 `eval` 和 `new Function` 的 JavaScript 环境中运行二进制指令文件。

原理上就是把 JavaScript 先编译成 `nestscript` 的 IR 指令，然后把指令编译成二进制的文件。只要在环境中引入使用 JavaScript 编写的 `nestscript` 的虚拟机，都可以执行 `nestscript` 的二进制文件。你可以把它用在 Web 前端、微信小程序等场景。

它包含三部分：

1. **代码生成器**：将 JavaScript 编译成 `nestscript` 中间指令。
2. **汇编器**：将中间指令编译成可运行在 `nestscript` 虚拟机的二进制文件。
3. **虚拟机**：执行汇编器生成的二进制文件。

理论上你可以将任意语言编译成 `nestscript` 指令集，但是目前 `nestscript` 只包含了一个代码生成器，目前支持将 JavaScript 编译成 `nestscript` 指令。

目前支持单文件 ES5 编译，并且已经成功编译并运行一些经典的 JavaScript 第三方库，例如 moment.js、lodash.js、mqtt.js。并且有日活百万级产品在生产环境使用。

## Installation

```bash
npm install nestscript
```

## 快速尝试

### 新建一个文件，例如 `main.js`：

```javascript
console.log("hello world")
```

### 编译成二进制：

```bash
npx nsc compile main.js main
```

这会将 `main.js` 编译成 `main` 二进制文件

### 通过虚拟机运行二进制：

```bash
npx nsc run main
```

会看到终端输出 `hello world`。这个 `main` 二进制文件，可以在任何一个包含了 nestscript 虚拟机，也就是 `dist/vm.js` 文件的环境中运行。

例如你可以把这个 `main` 二进制分发到 CND，然后通过网络下载到包含 `dist/vm.js` 文件的小程序中动态执行。

## Example

为了展示它的作用，我们编译了一个开源的的伪 3D 游戏 [javascript-racer](https://github.com/jakesgordon/javascript-racer/)。可以通过这个网址查看效果：[https://livoras.github.io/nestscript-demo/index.html](https://livoras.github.io/nestscript-demo/index.html)

![游戏图片](https://github.com/livoras/nestscript-demo/blob/master/demo.png?raw=true)

查看源代码（[nestscript-demo](https://github.com/livoras/nestscript-demo)）可以看到，我们在网页中引入了一个虚拟机 `vm.js`。游戏的主体逻辑都通过 nestscript 编译成了一个二进制文件 `game`，然后通过 `fetch`下载这个二进制文件，然后给到虚拟机解析、运行。

```html

<script src="./nestscript/dist/vm.js"></script>

<script>
   fetch('./game').then((res) => {
      res.arrayBuffer().then((data) => {
         const vm = createVMFromArrayBuffer(data, window)
         vm.run()
      })
   })
</script>
```

达到的效果和原来的开源的游戏效果完全一致

* 原来用 JS 运行的效果：[http://codeincomplete.com/projects/racer/v4.final.html](http://codeincomplete.com/projects/racer/v4.final.html)
* 用虚拟机运行 nestscript 二进制的效果：[https://livoras.github.io/nestscript-demo/index.html](https://livoras.github.io/nestscript-demo/index.html)

### demo 原理

编译的过程非常简单，只不过是把原来游戏的几个逻辑文件合并在一起：

```bash
cat common.js stats.js main.js > game.js
```

然后用 nestscript 编译成二进制文件：

```bash
nsc compile game.js game
```

再在 html 中引入虚拟机 vm.js，然后通过网络请求获取 game 二进制文件，接着运行二进制：

```html

<script src="./nestscript/dist/vm.js"></script>

## API

### nsc compile [source.js] [binary]

把 JavaScript 文件编译成二进制，例如 `npx nsc compile game.js game`。注意，目前仅支持 ES5 的语法。

### nsc run [binary]

通过 nestscript 虚拟机运行编译好的二进制，例如 `npx nsc run game`

### createVMFromArrayBuffer(buffer: ArrayBuffer, context: any)

由 `dist/vm.js` 提供的方法，解析编译好的二进制文件，返回一个虚拟机实例，并且可以准备执行。例如:

```javascript
const vm = createVMFromArrayBuffer(buffer, context)
```

`buffer` 指的是二进制用 JavaScript 的 ArrayBuffer 的展示形式；

`context` 相当于传给虚拟机的一个全局运行环境，因为虚拟机的运行环境和外部分离开来的。它对 window、global 这些已有的 JavaScript 环境无知，所以需要手动传入一个 `context` 来告知虚拟机目前的全局环境。虚拟机的全局变量、属性都会从传入的 `contenxt` 中拿到。

例如，如果代码只用到全局的 `Date` 属性，那么除了可以直接传入 `window` 对象以外，还可以这么做：

```javascript
const vm = createVMFromArrayBuffer(buffer, { Date })
```

### VirtualMachine::run()

`createVMFromArrayBuffer` 返回的虚拟机实例有 `run` 方法可以运行代码：

```javascript
const vm = createVMFromArrayBuffer(buffer, { Date })
vm.run()
```

## nestscript 指令集

```
MOV, ADD, SUB, MUL, DIV, MOD,
EXP, NEG, INC, DEC,

LT, GT, EQ, LE, GE, NE,
LG_AND, LG_OR, XOR, NOT, SHL, SHR,

JMP, JE, JNE, JG, JL, JIF, JF,
JGE, JLE, PUSH, POP, CALL, PRINT,
RET, PAUSE, EXIT,

CALL_CTX, CALL_VAR, CALL_REG, MOV_CTX, MOV_PROP,
SET_CTX,
NEW_OBJ, NEW_ARR, SET_KEY,
FUNC, ALLOC,
```

详情请见 [nestscript 指令集手册](https://github.com/livoras/nestscript/blob/master/docs/ir.md)。

例如使用指令编写的，斐波那契数列：

```javascript
func @@main() {
    CLS @fibonacci;
    REG %r0;
    FUNC $RET @@f0;
    FUNC @fibonacci @@f0;
    MOV %r0 10;
    PUSH %r0;
    CALL_REG @fibonacci 1 false;
}
func @@f0(.n) {
    REG %r0;
    REG %r1;
    REG %r2;
    REG %r3;
    MOV %r0 .n;
    MOV %r1 1;
    LT %r0 %r1;
    JF %r0 _l1_;
    MOV %r1 0;
    MOV $RET %r1;
    RET;
    JMP _l0_;
LABEL _l1_:
LABEL _l0_:
    MOV %r0 .n;
    MOV %r1 2;
    LE %r0 %r1;
    JF %r0 _l3_;
    MOV %r1 1;
    MOV $RET %r1;
    RET;
    JMP _l2_;
LABEL _l3_:
LABEL _l2_:
    MOV %r2 .n;
    MOV %r3 1;
    SUB %r2 %r3;
    PUSH %r2;
    CALL_REG @fibonacci 1 false;
    MOV %r0 $RET;
    MOV %r2 .n;
    MOV %r3 2;
    SUB %r2 %r3;
    PUSH %r2;
    CALL_REG @fibonacci 1 false;
    MOV %r1 $RET;
    ADD %r0 %r1;
    MOV $RET %r0;
    RET;
}
```

## TODO
- [ ] `export`，`import` 模块支持
- [ ] `class` 支持
- [ ] 中间代码优化
  - [x] 基本中间代码优化
  - [ ] 属性访问优化
- [ ] 文档：
  - [ ] IR 指令手册
  - [x] 安装文档
  - [x] 使用手册
  - [x] 使用 demo
- [x] `null`, `undefined` keyword
- [x] 正则表达式
- [x] label 语法
- [x] `try catch`
  - [x] try catch block
  - [x] error 对象获取
- [x] ForInStatement
- [x] 支持 function.length

* * *

## Change Log
### 2020-10-10
* 函数调用的时候延迟 new Scope 和 scope.fork 可以很好提升性能（~500ms）

### 2020-10-09
* 性能优化：不使用 `XXXBuffer.set` 从 buffer 读取指令速度更快

### 2020-09-18
* 解决 try catch 调用栈退出到 catch 的函数的地方

### 2020-09-08
* 重新设计闭包、普通变量的实现方式，使用 scope chain、block chain
* 实现块级作用域
* 使用块级作用域实现 `error` 参数在 `catch` 的使用

### 2020-08-25
* 闭包的形式应该是:
  * FUNC 每次都返回一个新的函数，并且记录上一层的 closure table
  * 调用的时候根据旧的 closure table 构建新的 closure table

### 2020-08-21
* fix 闭包生成的顺序问题
* 编译第三方库 moment.js, moment.min.js, lodash.js, lodash.min.js 成功并把编译加入测试

### 2020-08-20
* 编译 moment.js 成功
* fix if else 语句的顺序问题

### 2020-08-19
* ForInStatement

### 2020-08-14
* 编译 lodash 成功

### 2020-08-14
* `arguments` 参数支持

### 2020-08-12
* fix 闭包问题
* 继续编译 lodash：发现没有 try catch 的实现

### 2020-08-11
* 继续编译 lodash，发现了运行时闭包声明顺序导致无法获取闭包的 bug

### 2020-08-10
* 编译 lodash 成功(运行失败)
* 给函数参数增加闭包声明
* UpdateExpression 的前后缀表达存储

### 2020-08-06
* 完成 label 语法：循环、block label

### 2020-08-05
* `null`, `undefined`
* 正则表达式字面量

### 2020-08-03
* `while`, `do while`, `continue` codegen
* 更多测试

### 2020-07-31
* 第一版 optimizer 完成

### 2020-07-30
* 设计代码优化器的流程图

### 2020-07-29
* 把操作数的字节数存放在类型的字节末端，让操作数的字节数量可以动态获取
* 对于 Number 类型使用 Float64 来存储，对于其他类型的操作数用 Int32 存储
* 可以较好地压缩二进制程序的大小.

### 2020-07-27
* 重新设计操作数的生成规则

### 2020-07-23
* 函数的调用有几种情况
  * vm 调用自身函数
  * vm 调用外部函数
  * 外部调用 vm 的函数
* 所以：
  * vm 在调用函数的时候需要区分是那个环境的函数（函数包装 + instanceof）
    * 如果是自身的函数，不需要对参数进行操作
    * 如果是外部函数，需要把已经入栈的函数出栈再传给外部函数
  * 内部函数在被调用的时候，需要区分是那个环境调用的（NumArgs 包装 + instanceof）
    * 如果来自己的调用，不需要进行特别的操作
    * 如果是来自外部的调用，需要把参数入栈，并且要嵌入内部循环等待虚拟机函数结束以后再返回
* 让函数可以正确绑定 this，不管是 vm 内部还是外部的

### 2020-07-22
* 代码生成中表达式结果的处理原则：所有没有向下一层传递 s.r0 的都要处理 s.r0
* 三目运算符 A ? B : C 的 codegen（复用 IfStatement）

### 2020-07-21
* 自动包装 @@main 函数，这样就不需要主动提供 main 函数，更接近 JS

### 2020-07-20
* 更多测试
* 完成 +=, -=, *=, /= 操作符

### 2020-07-17
* 新增测试 & CI
* uinary expression 的实现：+, -, ~, !, void, delete

### 2020-07-16
* 逻辑表达式 "&&" 和 "||" 的 codegen 和虚拟机实现
* 完成闭包在虚拟机中的实现

### 2020-07-15
* 完成闭包变量的标记方式：内层函数“污染”外层的方式
* 重构代码生成的方式，使用函数数组延迟代码生成，这样可以在标记完闭包变量以后再进行 codegen
* 设计闭包变量和普通变量的标记方式“@xxx”表示闭包变量，“%xxx”表示普通自动生成的寄存器
* 下一步设计闭包变量在汇编器和虚拟机中的生成和调取机制

### 2020-07-13
* 设计闭包的实现
* 实现 `CALL_REG R0 3` 指令，可以把函数缓存到变量中随后进行调用

### 2020-07-10
* 支持回调函数的 codegen
* 完成基本的 JS -> 汇编的转化和运行
* 循环 codegen
* 三种值的更新和获取
  * Identifier
    * context
    * variables
  * Memeber

### 2020-07-09
* 完成二进制表达式的 codegen
* 完成简单的赋值语句
* 完成对象属性访问的 codegen
* if 语句的 codegen

### 2020-07-03
* 确定使用动态分配 & 释放寄存器方案
* 表达式计算值存储到寄存器方案，寄存器名称外层生成、传入、释放

### 2020-06-22
* 开始使用 acorn 解析 ast，准备把 ast 编译成 IR 指令

### 2020-06-19
* `FUNC R0 sayHi`: 构建 JS 函数封装 `sayHi` 函数并存放到 R0 寄存器，可以用作 JS 的回调参数，见 `example/callback.nes`
* `CALL_VAR R0 "forEach" 1`: 调用寄存器里面存值的某个方法
* `MOV_PROP R0 R1 "length"`: 将 R1 寄存器的值的 "length" 的值放到 R0 寄存器中

### 2020-06-18
* 完成
  * `NEW_ARR R0`: 字面量数组
  * `NEW_OBJ R0`: 字面量对象
  * `SET_KEY R0 "0" "hello"`: 设置某个寄存器里面的 key value 值
  * `CALL_CTX "console" "log" 1`: 调用 ctx 里面的某个函数方法
  * `MOV_CTX R0 "console.log"`: 把 ctx 某个值移动到寄存器

### 2020-06-17
* 完成基本的汇编器和虚拟机
* 完成命令行工具 nsc，可以 `nsc compile src dest` 将文本代码 -> 二进制文件，并且用 `nsc run file` 执行
* 斐波那契数列计算例子
* 编译打包成第三方包

nestscript

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