如何用Java编写最快的表达式评估器之一

当然，标题有点吸引人，但确实如此（您当然不相信自己没有伪造自己的基准，但这是另一回事了）。

因此，上周我正在寻找一个小型且可用的库来评估数学表达式。我几乎直接偶然发现了这个stackoverflow帖子。推荐的库（ Expr ）确实非常快，几乎满足了我的所有需求。但是，它没有提供限制变量范围的功能（一切都在VM内的一个全局命名空间中）。

因此，我做到了，通常这是我们不应该做的：我重新发明了轮子，并编写了自己的解析器/评估器。无论如何，这是一个下雨的星期六，所以我认为一个小的递归降序解析器，一个可以简化并最终计算表达式以及一个用于管理变量的小助手的AST似乎并不重要。事实并非如此。我有一个初步的实现，并运行得非常快。一旦进行了一些测试，使我确信它可以正确地计算所有内容，我想知道与原始文章中提到的其他库相比，评估器的运行速度。由于没有手动优化每个内部循环和所有内容，因此我没有太大期望，毕竟有些库还是商业库。因此，当我查看结果时，我感到非常惊讶。下面的列表显示了一个微型基准，该基准使用相应的库评估相同的表达。我的库parsii的测量是使用最终版本完成的，该版本执行了一些简化操作，例如预先评估常量表达式。但是，没有像字节码生成之类的“黑魔法”或该联盟中的任何事情完成。

对于性能测量，表达式x为（2 +（7 – 5）* 3.14159 * x ^（12-10）+ sin（-3.141）”，其中x从0到1000000。对JIT进行10次加热。然后再执行15次，平均执行时间为：

PARSII ：28.3毫秒
曝光：37.2毫秒
MathEval ：7748.5毫秒
JEP ：647.0毫秒
MESP ：220.8毫秒
JFEP ：274.3毫秒

现在，我敢肯定，这些库中的每一个都有各自的优势，因此无法直接进行比较。看到一个简单的实现可以很好地竞争仍然令人惊奇。

对于那些不太了解编译器构造的人，下面简要介绍一下它的工作原理：

与任何解析器或编译器一样，parsii使用经典的方法是使用分词器，该工具将字符流转换为令牌流。因此，作为字符数组的“ 4”，“”，“ +”，“”，“ 3”，“”，“ *”，“ 8”的“ 4 + 3 * 8”将被转换为：

4（整数）
+（符号）
3（整数）
*（符号）
8（整数）

令牌生成器查看当前字符，然后确定要查看的令牌类型，然后读取属于该令牌的所有字符。每个标记都有其类型，文本内容，并且知道其起始位置（行和字符）。网上有很多深入的教程，因此这里不再赘述。您可以看一下源代码，但是正如我所说的，它只是一个简单的基本实现。

解析器将经典的递归降序解析器转换为AST（抽象语法树），然后可以对其进行评估。这是构建解析器的最简单方法之一，因为它完全是手工编写的，而不是由工具生成的。这样的解析器基本上包含每个语法规则的方法。

再次有很多此类解析器的教程。但是，大多数示例遗漏的是正确的错误处理。 除了正确，快速地解析表达式之外，良好的错误处理是良好的解析器的主要方面之一。这并不难：正如您在源代码中所看到的那样，解析器在解析表达式时从不抛出异常。将收集所有错误，并且解析器将继续尽可能长的时间。即使在出现第一个错误之后，仍无法正确评估生成的AST，但请务必继续操作，并且应该一次报告尽可能多的错误，这一点很重要。令牌生成器使用相同的方法，因为将格式不正确的令牌（例如带有两个小数分隔符的十进制数字）报告给同一错误列表。

评估AST是解析表达式的结果，这非常容易。语法树的每个节点都有一个评估方法，该方法将由其父节点从根节点开始调用。此处eval的结果是对表达式求值的结果。可以在BinaryOperation中找到这种方法的基本示例，它表示+，-，*等操作。

为了稍微缩短评估时间，执行了三个优化：

首先，在解析AST之后，在根节点上调用一种称为simple的方法，该方法会传播到每个子节点。然后，每个节点决定是否可以找到自己的子表达式的更简单表示形式。例如：对于二进制运算，我们检查两个操作数是否都是常数（数字）。在这种情况下，我们对表达式求值并返回包含操作结果的新常量。对于所有参数都恒定的函数，也可以这样做。

在表达式中使用变量时完成第二次优化。幼稚的方法是使用映射并在需要时读取或写入变量的值。尽管这确实可行，但是在执行时需要进行很多查找。因此，我们有一个名为Variable的特殊类，其中包含变量的名称和数值。解析表达式时，将在范围（基本上只是一个映射）中查找一次该变量，然后从现在开始使用。由于每个查找返回相同的实例，因此在评估表达式时对变量的访问与对字段的读取或写入一样便宜，因为我们仅访问Variable的value字段。

第三次也是最后一次优化可能不会经常发挥作用。但由于易于实现，因此还是可以实现。它基本上被称为“惰性求值”，并在调用函数时使用。函数不会自动求值其所有参数，然后自动执行函数调用。它宁可查看参数，也可以凭自己决定要评估的参数，而不是要决定的参数。在if函数中可以找到使用它的示例。

parsii是根据MIT许可获得许可的。可以在GitHub上找到所有源代码以及预编译的jar。

参考：在Andy的软件工程专栏博客中，如何从我们的JCG合作伙伴 Andreas Haufler编写Java中最快的表达式评估器之一。