从零构建C++语言虚拟机（手把手教你实现简易C++解释器）

项目结构概览

我们将分三步构建这个虚拟机：

1. 词法分析器（Lexer）：将源代码字符串分解为有意义的“词元”（Token）
2. 语法解析器（Parser）：将词元组织成语法树（AST）
3. 解释器（Interpreter）：遍历语法树并计算结果

第一步：定义Token类型

首先，我们需要定义程序中可能出现的词元类型：

// token.h#ifndef TOKEN_H#define TOKEN_Henum class TokenType {    NUMBER,    PLUS,    MINUS,    STAR,    SLASH,    LPAREN,    RPAREN,    END};struct Token {    TokenType type;    double value; // 仅当type == NUMBER时有效};#endif

第二步：实现词法分析器

词法分析器负责扫描输入字符串，识别出一个个Token：

// lexer.cpp#include <string>#include <cctype>#include "token.h"class Lexer {private:    std::string source;    size_t pos = 0;public:    Lexer(const std::string& src) : source(src) {}    Token nextToken() {        // 跳过空白字符        while (pos < source.length() && std::isspace(source[pos])) {            pos++;        }        if (pos >= source.length()) {            return {TokenType::END, 0};        }        char c = source[pos];        pos++;        switch (c) {            case '+': return {TokenType::PLUS, 0};            case '-': return {TokenType::MINUS, 0};            case '*': return {TokenType::STAR, 0};            case '/': return {TokenType::SLASH, 0};            case '(': return {TokenType::LPAREN, 0};            case ')': return {TokenType::RPAREN, 0};        }        // 处理数字        if (std::isdigit(c) || c == '.') {            size_t start = pos - 1;            while (pos < source.length() &&                    (std::isdigit(source[pos]) || source[pos] == '.')) {                pos++;            }            std::string numStr = source.substr(start, pos - start);            double val = std::stod(numStr);            return {TokenType::NUMBER, val};        }        // 遇到未知字符        throw std::runtime_error("Unexpected character: " + std::string(1, c));    }};

第三步：构建简单的解释器

为了简化，我们直接使用递归下降解析器来处理表达式，并立即求值（无需构建完整AST）：

// interpreter.cpp#include <iostream>#include <stdexcept>#include "token.h"#include "lexer.cpp" // 简化包含（实际项目应使用头文件）class Interpreter {private:    Lexer lexer;    Token currentToken;    void eat(TokenType type) {        if (currentToken.type == type) {            currentToken = lexer.nextToken();        } else {            throw std::runtime_error("Unexpected token");        }    }    double factor() {        Token token = currentToken;        if (token.type == TokenType::NUMBER) {            eat(TokenType::NUMBER);            return token.value;        } else if (token.type == TokenType::LPAREN) {            eat(TokenType::LPAREN);            double result = expr();            eat(TokenType::RPAREN);            return result;        }        throw std::runtime_error("Expected number or '(' in factor");    }    double term() {        double result = factor();        while (currentToken.type == TokenType::STAR ||                currentToken.type == TokenType::SLASH) {            Token token = currentToken;            if (token.type == TokenType::STAR) {                eat(TokenType::STAR);                result *= factor();            } else {                eat(TokenType::SLASH);                result /= factor();            }        }        return result;    }    double expr() {        double result = term();        while (currentToken.type == TokenType::PLUS ||                currentToken.type == TokenType::MINUS) {            Token token = currentToken;            if (token.type == TokenType::PLUS) {                eat(TokenType::PLUS);                result += term();            } else {                eat(TokenType::MINUS);                result -= term();            }        }        return result;    }public:    Interpreter(const std::string& input) : lexer(input) {        currentToken = lexer.nextToken();    }    double interpret() {        return expr();    }};int main() {    try {        std::string code = "3 + 5 * (2 - 8)";        Interpreter interpreter(code);        double result = interpreter.interpret();        std::cout << "Result: " << result << std::endl; // 输出: Result: -27    } catch (const std::exception& e) {        std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;    }    return 0;}

运行与测试

将上述代码保存为 main.cpp，使用以下命令编译运行：

g++ -std=c++17 main.cpp -o vm && ./vm

你应该会看到输出：Result: -27，这说明你的微型C++编程教程中的虚拟机已成功运行！

总结

通过本教程，你已经掌握了构建一个简易C++虚拟机的基本流程。虽然功能有限，但它涵盖了C++虚拟机实现、C++解释器开发、虚拟机原理以及C++编程教程中的核心思想。下一步可以尝试添加变量、函数、控制流等更高级特性。

记住：每一个复杂的系统，都始于一行简单的代码。继续探索吧，未来的编译器工程师！