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GDScript 实现

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本文档介绍了 GDScript 的实现，GDScript 是 Godot Engine 内置的脚本语言。它解释了 GDScript 代码如何在引擎中被解析、分析、编译和执行。有关使用 GDScript 作为语言的信息，请参阅 GDScript 基础。

概述

GDScript 是一种动态类型的、类似 Python 的语言，专为 Godot Engine 设计。其实现主要包括四个阶段：

  1. 解析：将源代码文本转换为抽象语法树 (AST)。
  2. 分析：类型检查、验证 AST 和解析引用。
  3. 编译：从分析后的 AST 生成字节码。
  4. 执行：在 GDScript 虚拟机中运行字节码。

下图说明了整个流程：

来源： modules/gdscript/gdscript_parser.cpp modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp modules/gdscript/gdscript_compiler.cpp modules/gdscript/gdscript.cpp modules/gdscript/gdscript_function.cpp

架构组件

GDScript 的实现包含几个协同工作的关键类：

来源： modules/gdscript/gdscript.h60-172 modules/gdscript/gdscript_tokenizer.h modules/gdscript/gdscript_parser.h54-140 modules/gdscript/gdscript_analyzer.h39-62 modules/gdscript/gdscript_compiler.h modules/gdscript/gdscript_function.h

解析阶段

GDScript 实现的第一阶段是解析，它将源代码转换为抽象语法树 (AST)。

分词

在解析之前，源代码由 GDScriptTokenizer 分解为标记。分词器识别语言元素，如关键字、标识符、字面量和运算符。

分词器处理 GDScriptTokenizer::Token::Type 枚举中定义的各种标记类型，包括：

  • 关键字（if、else、func、class 等）
  • 运算符（+、-、*、/ 等）
  • 字面量（数字、字符串）
  • 标识符（变量/函数名）
  • 特殊符号（(、)、{、} 等）

来源： modules/gdscript/gdscript_tokenizer.cpp44-162 modules/gdscript/gdscript_tokenizer.h58-164

抽象语法树 (AST) 构建

解析器 (GDScriptParser) 按顺序处理标记，以构建表示代码结构的 AST。AST 中的每个节点代表一个不同的语言构造。

主要的节点类型包括：

  • ClassNode：代表一个 GDScript 类，包含成员声明。
  • FunctionNode：代表函数声明。
  • VariableNode：代表变量声明。
  • ExpressionNode：所有表达式（字面量、运算等）的基类。
  • SuiteNode：代表一个语句序列。

解析器通过使用预测解析方法递归处理标记流来构建此树。它从入口点 parse_program() 开始，该函数识别脚本的顶层结构。

来源： modules/gdscript/gdscript_parser.cpp608-771 modules/gdscript/gdscript_parser.h95-367 modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp85-131 modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp632-733

分析阶段

在解析之后，GDScriptAnalyzer 对 AST 进行语义分析。这包括：

  1. 类型检查
  2. 解析类继承关系。
  3. 验证表达式和语句。
  4. 检测错误和警告。

类型系统

GDScript 同时支持动态类型和静态类型。分析器使用 GDScriptParser::DataType 结构来跟踪类型，该结构包含有关以下方面的信息：

  • 类型的种类（内置、原生、脚本、类、枚举）。
  • 类型来源（显式注解、推断、未检测）。
  • 类型特定信息（内置类型、原生类、脚本引用）。

使用静态类型时，分析器会验证赋值、函数参数和返回值的类型兼容性。

来源： modules/gdscript/gdscript_parser.h101-186 modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp85-131 modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp632-733

类继承解析

GDScript 支持类继承，这在分析阶段进行解析。分析器会：

  1. 解析 extends 中指定的基类。
  2. 验证继承是否有效（例如，无循环继承）。
  3. 合并父类的成员信息。

此过程确保了正确的类型检查和成员解析，保证子类可以访问父类的成员。

来源： modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp344-632 modules/gdscript/gdscript.cpp396-633

成员验证

分析器会验证类成员（变量、函数、信号等）是否定义正确。

  1. 检查与基类成员的名称冲突。
  2. 验证函数签名。
  3. 检查信号声明。
  4. 验证变量类型和默认值。

它还会验证注解（如 @export、@onready 等），这些注解为成员提供了额外的信息或行为。

来源： modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp232-267 modules/gdscript/gdscript_analyzer.h220-263

编译阶段

代码完全分析后，GDScriptCompiler 会将其编译成可由 GDScript 虚拟机执行的字节码。

字节码生成

GDScriptByteCodeGenerator 将分析后的 AST 转换为一系列代表程序操作的字节码指令。

每个字节码指令都包含一个操作码（opcode）和可选的操作数。例如，OPERATOR 指令对值执行操作，而 CALL 指令则调用一个函数。

来源： modules/gdscript/gdscript_byte_codegen.cpp37-169 modules/gdscript/gdscript_byte_codegen.h42-116

函数编译

函数被编译成 GDScriptFunction 对象，每个对象包含：

  1. 函数体的字节码
  2. 局部变量信息
  3. 参数信息
  4. 函数中使用的常量
  5. 调试信息（行号等）

编译器处理不同类型的函数，包括常规函数、静态函数和 lambda 函数。

来源： modules/gdscript/gdscript_compiler.cpp1101-1398 modules/gdscript/gdscript_function.h44-105

类和脚本生成

编译器构建一个完整的 GDScript 对象，包含：

  1. 已编译的函数
  2. 类成员信息
  3. 常量
  4. 信号
  5. 继承信息

此脚本对象成为 GDScript 类的运行时表示，并在使用脚本实例化对象时使用。

来源： modules/gdscript/gdscript_compiler.cpp2101-2231 modules/gdscript/gdscript.h97-246

运行时执行

最后一个阶段是由 GDScript 虚拟机执行编译后的字节码。

GDScript 虚拟机

GDScript VM 是一个基于堆栈的虚拟机，主要在 gdscript_function.cpp 和 gdscript_vm.cpp 中实现。它执行编译过程中生成的字节码指令。

VM 按顺序处理字节码指令，维护：

  • 用于临时值的堆栈
  • 局部变量
  • 类成员和全局变量的引用

对于每条指令，VM 执行相应的操作并相应地更新其状态。

来源： modules/gdscript/gdscript_vm.cpp117-1431 modules/gdscript/gdscript_function.cpp35-135

实例创建与执行

实例化 GDScript 类时：

  1. 会创建一个 GDScriptInstance，并连接到拥有者对象。
  2. 实例的构造函数（_init）会被调用。
  3. 成员变量会被初始化。
  4. 其他初始化（如 _ready）可能会稍后进行。

当在 GDScript 实例上调用函数时，VM 会执行相应的字节码来执行函数的操作。

来源： modules/gdscript/gdscript.cpp151-250 modules/gdscript/gdscript_function.cpp137-206

错误处理

GDScript 实现包括全面的错误处理：

  1. 解析阶段的语法错误
  2. 分析阶段的分析错误
  3. 运行时发生的运行时错误

当发生错误时，会报告具体信息，例如错误位置（文件、行、列）和描述性消息。

在调试模式下，可以使用断点、调用堆栈检查和变量检查等附加功能来辅助调试。

来源： modules/gdscript/gdscript_vm.cpp153-222 modules/gdscript/gdscript_parser.cpp179-214 modules/gdscript/gdscript_editor.cpp242-380

高级特性

静态类型系统

GDScript 支持可选的静态类型，允许开发者为变量、函数参数和返回值指定类型。

类型系统包括：

  • 内置类型（int、float、String 等）
  • 引擎类（Node、Resource 等）
  • 脚本类（GDScript 和其他语言）
  • 枚举
  • 泛型容器（Array[Type]、Dictionary[KeyType, ValueType]）

静态类型可以实现更好的代码验证、自动补全，并可能提高性能。

来源： modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp632-770 modules/gdscript/gdscript_compiler.cpp89-207

类系统

GDScript 实现了一个基于类的面向对象模型。

类支持：

  • 通过 extends 实现的单继承。
  • 内部类
  • 构造函数（_init）
  • 属性设置器和获取器
  • 静态函数和变量
  • 常量
  • 信号

该实现确保了正确的成员解析，包括从基类继承。

来源： modules/gdscript/gdscript.h60-246 modules/gdscript/gdscript.cpp123-246 modules/gdscript/gdscript_analyzer.cpp344-632

标准库集成

GDScript 与 Godot 的标准库集成，提供对以下内容的访问：

  • 引擎类和函数
  • 核心类型及其方法
  • 全局函数和常量
  • 实用函数（print、range 等）

集成是通过以下方式实现的：

  1. 直接绑定到引擎类和函数
  2. gdscript_utility_functions.cpp 中的实用函数
  3. 内置常量和全局属性

来源： modules/gdscript/gdscript_utility_functions.cpp136-602 modules/gdscript/gdscript_editor.cpp457-518

结论

GDScript 是一个完全集成、专门为 Godot 引擎量身定制的脚本语言。其实现遵循标准的编译器流程，包括解析、分析、编译和执行，并针对游戏开发的需求进行了特殊调整。

该语言在易用性和强大的功能之间取得了平衡，例如可选的静态类型、全面的面向对象支持以及与引擎的紧密集成。这使得它成为使用 Godot 开发游戏的有效工具，既能满足初学者的可访问性，又能满足高级用户的需求。