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经过一个月的探索，我如何将 AST 操作得跟呼吸一样自然

2023-03-15 23:19:36 时间

一直以来，前端同学们对于编译原理都存在着复杂的看法，大部分人都觉得自己写业务也用不到这么高深的理论知识，况且编译原理晦涩难懂，并不能提升自己在前端领域内的专业知识。我不觉得这种想法有什么错，况且我之前也是这么认为的。而在前端领域内，和编译原理强相关的框架与工具类库主要有这么几种：

  • 以 Babel 为代表，主要做 ECMAScript 的语法支持，比如 ?. 与 ?? 对应的 babel-plugin-optional-chaining[1] 与 babel-plugin-nullish-coalescing-operator[2]，这一类工具还有 ESBuild 、swc 等。类似的，还有 Scss、Less 这一类最终编译到 CSS 的“超集”。这一类工具的特点是转换前的代码与转换产物实际上是同一层级的，它们的目标是得到标准环境能够运行的产物。
  • 以 Vue、Svelte 还有刚诞生不久的 Astro 为代表，主要做其他自定义文件到 JavaScript（或其他产物） 的编译转化，如 .vue .svelte .astro 这一类特殊的语法。这一类工具的特点是，转换后的代码可能会有多种产物，如 Vue 的 SFC 最终会构建出 HTML、CSS、JavaScript。
  • 典型的 DSL 实现，其没有编译产物，而是由独一的编译引擎消费， 如 GraphQL (.graphql)、Prisma (.prisma) 这一类工具库（还有更熟悉一些的，如 HTML、SQL、Lex、XML 等），其不需要被编译为 JavaScript，如 .graphql 文件直接由 GraphQL 各个语言自己实现的 Engine 来消费。
  • 语言层面的转换，TypeScript、Flow、CoffeeScript 等，以及使用者不再一定是狭义上前端开发者的语言，如张宏波老师的 ReScript（原 BuckleScript）、Dart 等。

无论是哪一种情况，似乎对于非科班前端的同学来说都是地狱难度，但其实社区一直有各种各样的方案，来尝试降低 AST 操作的成本，如 FB 的 jscodeshift[3]，相对于 Babel 的 Visitor API，jscodeshift 提供了命令式 + 链式调用的 API，更符合前端同学的认知模式（因为就像 Lodash、RxJS 这样），看看它们是怎么用的：

示例来自于 神光[4] 老师的文章。由于本文的重点并不是 jscodeshift 与 gogocode，这里就直接使用现成的示例了。

// Babel
const { declare } = require("@babel/helper-plugin-utils");

const noFuncAssignLint = declare((api, options, dirname) => {
  api.assertVersion(7);

  return {
    pre(file) {
      file.set("errors", []);
    },
    visitor: {
      AssignmentExpression(path, state) {
        const errors = state.file.get("errors");
        const assignTarget = path.get("left").toString();
        const binding = path.scope.getBinding(assignTarget);
        if (binding) {
          if (
            binding.path.isFunctionDeclaration() ||
            binding.path.isFunctionExpression()
          ) {
            const tmp = Error.stackTraceLimit;
            Error.stackTraceLimit = 0;
            errors.push(
              path.buildCodeFrameError("can not reassign to function", Error)
            );
            Error.stackTraceLimit = tmp;
          }
        }
      },
    },
    post(file) {
      console.log(file.get("errors"));
    },
  };
});

module.exports = noFuncAssignLint;

// jscodeshift
module.exports = function (fileInfo, api) {
  return api
    .jscodeshift(fileInfo.source)
    .findVariableDeclarators("foo")
    .renameTo("bar")
    .toSource();
};

虽然以上并不是同一类操作的对比，但还是能看出来二者 API 风格的差异。

以及 阿里妈妈 的 gogocode[5]，它基于 Babel 封装了一层，得到了类似 jscodeshift 的命令式 + 链式 API，同时其 API 命名也能看出来主要面对的的是编译原理小白，jscodeshift 还有 findVariableDeclaration 这种方法，但 gogocode 就完全是 find 、replace 这种了：

$(code)
    .find("var a = 1")
    .attr("declarations.0.id.name", "c")
    .root()
    .generate();

看起来真的很简单，但这么做也可能会带来一定的问题，为什么 Babel 要采用 Visitor API？类似的，还有 GraphQL Tools[6] 中，对 GraphQL Schema 添加 Directive 时同样采用的是 Visitor API，如

import { SchemaDirectiveVisitor } from "graphql-tools";

export class DeprecatedDirective extends SchemaDirectiveVisitor {
  visitSchema(schema: GraphQLSchema) {}
  visitObject(object: GraphQLObjectType) {}
  visitFieldDefinition(field: GraphQLField<any, any>) {}
  visitArgumentDefinition(argument: GraphQLArgument) {}
  visitInterface(iface: GraphQLInterfaceType) {}
  visitInputObject(object: GraphQLInputObjectType) {}
  visitInputFieldDefinition(field: GraphQLInputField) {}
  visitScalar(scalar: GraphQLScalarType) {}
  visitUnion(union: GraphQLUnionType) {}
  visitEnum(type: GraphQLEnumType) {}
  visitEnumValue(value: GraphQLEnumValue) {}
}

Visitor API 是声明式的，我们声明对哪一部分语句做哪些处理，比如我要把所有符合条件 If 语句的判断都加上一个新的条件，然后 Babel 在遍历 AST 时（@babel/traverse），发现 If 语句被注册了这么一个操作，那就执行它。而 jscodeshift、gogocode 的 Chaining API 则是命令式（Imperative）的，我们需要先获取到 AST 节点，然后对这个节点使用其提供（封装）的 API，这就使得我们很可能遗漏掉一些边界情况而产生不符预期的结果。

而 TypeScript 的 API 呢？TypeScript 的 Compiler API 是绝大部分开放的，足够用于做一些 CodeMod、AST Checker 这一类的工具，如我们使用原生的 Compiler API ，来组装一个函数：

import * as ts from "typescript";

function makeFactorialFunction() {
  const functionName = ts.factory.createIdentifier("factorial");
  const paramName = ts.factory.createIdentifier("n");
  const paramType = ts.factory.createKeywordTypeNode(
    ts.SyntaxKind.NumberKeyword
  );
  const paramModifiers = ts.factory.createModifier(
    ts.SyntaxKind.ReadonlyKeyword
  );
  const parameter = ts.factory.createParameterDeclaration(
    undefined,
    [paramModifiers],
    undefined,
    paramName,
    undefined,
    paramType
  );

  // n <= 1
  const condition = ts.factory.createBinaryExpression(
    paramName,
    ts.SyntaxKind.LessThanEqualsToken,
    ts.factory.createNumericLiteral(1)
  );

  const ifBody = ts.factory.createBlock(
    [ts.factory.createReturnStatement(ts.factory.createNumericLiteral(1))],
    true
  );

  const decrementedArg = ts.factory.createBinaryExpression(
    paramName,
    ts.SyntaxKind.MinusToken,
    ts.factory.createNumericLiteral(1)
  );

  const recurse = ts.factory.createBinaryExpression(
    paramName,
    ts.SyntaxKind.AsteriskToken,
    ts.factory.createCallExpression(functionName, undefined, [decrementedArg])
  );

  const statements = [
    ts.factory.createIfStatement(condition, ifBody),
    ts.factory.createReturnStatement(recurse),
  ];

  return ts.factory.createFunctionDeclaration(
    undefined,
    [ts.factory.createToken(ts.SyntaxKind.ExportKeyword)],
    undefined,
    functionName,
    undefined,
    [parameter],
    ts.factory.createKeywordTypeNode(ts.SyntaxKind.NumberKeyword),
    ts.factory.createBlock(statements, true)
  );
}

const resultFile = ts.createSourceFile(
  "func.ts",
  "",
  ts.ScriptTarget.Latest,
  false,
  ts.ScriptKind.TS
);

const printer = ts.createPrinter({ newLine: ts.NewLineKind.LineFeed });

const result = printer.printNode(
  ts.EmitHint.Unspecified,
  makeFactorialFunction(),
  resultFile
);

console.log(result);

以上的代码将会创建这么一个函数：

export function factorial(readonly n: number): number {
  if (n <= 1) {
    return 1;
  }
  return n * factorial(n - 1);
}

可以看到，TypeScript Compiler API 属于命令式，但和 jscodeshift 不同，它的 API 不是链式的，更像是组合式的？我们从 identifier 开始创建，组装参数、if 语句的条件与代码块、函数的返回语句，最后通过 createFunctionDeclaration 完成组装。简单的看一眼就知道其使用成本不低，你需要对 Expression、Declaration、Statement 等相关的概念有比较清晰地了解，比如上面的 If 语句需要使用哪些 token 来组装，还需要了解 TypeScript 的 AST，如 interface、类型别名、装饰器等（你可以在 ts-ast-viewer[7] 实时的查看 TypeScript AST 结构）。

因此，在这种情况下 ts-morph[8] 诞生了（原 ts-simple-ast ），它在 TypeScript Compiler API 的基础上做了一层封装，大大降低了使用成本，如上面的例子转换为 ts-morph 是这样的：

import { Project } from "ts-morph";

const s = new Project().createSourceFile("./func.ts", "");

s.addFunction({
  isExported: true,
  name: "factorial",
  returnType: "number",
  parameters: [
    {
      name: "n",
      isReadonly: true,
      type: "number",
    },
  ],
  statements: (writer) => {
    writer.write(`
if (n <=1) {
  return 1;
}

return n * factorial(n - 1);
    `);
  },
}).addStatements([]);

s.saveSync();

console.log(s.getText());

是的，为了避免像 TypeScript Compiler API 那样组装的场景，ts-morph 没有提供创建 IfStatement 这一类语句的 API 或者是相关能力，最方便的方式是直接调用 writeFunction 来直接写入。

很明显，这样的操作是有利有弊的，我们能够在创建 Function、Class、Import 这一类声明时，直接传入其结构即可，但对于函数（类方法）内部的语句，ts-morph 目前的确只提供了这种最简单的能力，这在很多场景下可能确实降低了很多成本，但也注定了无法使用在过于复杂或是要求更严格的场景下。

我在写到这里时突然想到了一个特殊的例子：Vite[9]，众所周知，Vite 会对依赖进行一次重写，将裸引入（Bare Import）转换为能实际链接到代码的正确导入，如 import consola from 'consola' 会被重写为 import consola from '/node_modules/consola/src/index.js' （具体路径由 main 指定，对于 esm 模块则会由 module 指定） ，这一部分的逻辑里主要依赖了 magic-string 和 es-module-lexer 这两个库，通过 es-module-lexer 获取到导入语句的标识在整个文件内部的起始位置、结束位置，并通过 magic-string 将其替换为浏览器能够解析的相对导入（如 importAnalysisBuild.ts[10]）。这也带来了一种新的启发：对于仅关注特定场景的代码转换，如导入语句之于 Vite，装饰器之于 Inversify、TypeDI 这样的场景，大动干戈的使用 AST 就属于杀鸡焉用牛刀了。同样的，在只是对粒度较粗的 AST 节点（如整个 Class 结构）做操作时，ts-morph 也有着奇效。

实际上可能还是有类似的场景：

  • 我只想传入文件路径，然后希望得到这个文件里所有的 class 名，import 语句的标识（如 fs 即为 import fs from 'fs' 的标识符，也即是 Module Specifier），哪些是具名导入（import { spawn } from 'child_process'），哪些是仅类型导入 （import type { Options } from 'prettier'），然后对应的做一些操作，ts-morph 的复杂度还是超出了我的预期。
  • 我想学习编译相关的知识，但我不想从教科书和系统性的课程开始，就是想直接来理论实践，看看 AST 操作究竟是怎么能玩出花来，这样说不定以后学起来我更感兴趣？
  • 我在维护开源项目，准备发一个 Breaking Change，我希望提供 CodeMod，帮助用户直接升级到新版本代码，常用的操作可能有更新导入语句、更新 JSX 组件属性等。或者说在脚手架 + 模板的场景中，我有部分模板只存在细微的代码差异，又不想维护多份文件，而是希望抽离公共部分，并通过 AST 动态的写入特异于模板的代码。但是！我没有学过编译原理！也不想花时间把 ts-morph 的 API 都过一下...

做了这么多铺垫，是时候迎来今天的主角了，@ts-morpher[11] 基于 ts-morph 之上又做了一层额外封装，如果说 TypeScript Compiler API 的复杂度是 10，那么 ts-morph 的复杂度大概是 4，而 @ts-morpher 的复杂度大概只有 1 不到了。作为一个非科班、没学过编译原理、没玩过 Babel 的前端仔，它是我在需要做 AST Checker、CodeMod 时产生的灵感。

我们知道，AST 操作通常可以很轻易的划分为多个单元（如果你之前不知道，恭喜你现在知道了），比如获取节点-检查节点-修改节点 1-修改节点 2-保存源文件，这其中的每一个部分都是可以独立拆分的，如果我们能像 Lodash 一样调用一个个职责明确的方法，或者像 RxJS 那样把一个个操作符串（pipe）起来，那么 AST 操作好像也没那么可怕了。可能会有同学说，为什么要套娃？一层封一层？那我只能说，管它套娃不套娃呢，好用就完事了，什么 Declaration、Statement、Assignment...，我直接统统摁死，比如像这样（更多示例请参考官网）：

import { Project } from "ts-morph";
import path from "path";
import fs from "fs-extra";
import { createImportDeclaration } from "@ts-morpher/creator";
import { checkImportExistByModuleSpecifier } from "@ts-morpher/checker";
import { ImportType } from "@ts-morpher/types";

const sourceFilePath = path.join(__dirname, "./source.ts");

fs.rmSync(sourceFilePath);
fs.ensureFileSync(sourceFilePath);

const p = new Project();
const source = p.addSourceFileAtPath(sourceFilePath);

createImportDeclaration(source, "fs", "fs-extra", ImportType.DEFAULT_IMPORT);

createImportDeclaration(source, "path", "path", ImportType.NAMESPACE_IMPORT);

createImportDeclaration(
  source,
  ["exec", "execSync", "spawn", "spawnSync"],
  "child_process",
  ImportType.NAMED_IMPORT
);

createImportDeclaration(
  source,
  // First item will be regarded as default import, and rest will be used as named imports.
  ["ts", "transpileModule", "CompilerOptions", "factory"],
  "typescript",
  ImportType.DEFAULT_WITH_NAMED_IMPORT
);

createImportDeclaration(
  source,
  ["SourceFile", "VariableDeclarationKind"],
  "ts-morph",
  ImportType.NAMED_IMPORT,
  true
);

这一连串的方法调用会创建：

import fs from "fs-extra";
import * as path from "path";
import { exec, execSync, spawn, spawnSync } from "child_process";
import ts, { transpileModule, CompilerOptions, factory } from "typescript";
import type { SourceFile, VariableDeclarationKind } from "ts-morph";

再看一个稍微复杂点的例子：

import { Project } from "ts-morph";
import path from "path";
import fs from "fs-extra";
import {
  createBaseClass,
  createBaseClassProp,
  createBaseClassDecorator,
  createBaseInterfaceExport,
  createImportDeclaration,
} from "@ts-morpher/creator";
import { ImportType } from "@ts-morpher/types";

const sourceFilePath = path.join(__dirname, "./source.ts");

fs.rmSync(sourceFilePath);
fs.ensureFileSync(sourceFilePath);

const p = new Project();
const source = p.addSourceFileAtPath(sourceFilePath);

createImportDeclaration(
  source,
  ["PrimaryGeneratedColumn", "Column", "BaseEntity", "Entity"],
  "typeorm",
  ImportType.NAMED_IMPORTS
);

createBaseInterfaceExport(
  source,
  "IUser",
  [],
  [],
  [
    {
      name: "id",
      type: "number",
    },
    {
      name: "name",
      type: "string",
    },
  ]
);

createBaseClass(source, {
  name: "User",
  isDefaultExport: true,
  extends: "BaseEntity",
  implements: ["IUser"],
});

createBaseClassDecorator(source, "User", {
  name: "Entity",
  arguments: [],
});

createBaseClassProp(source, "User", {
  name: "id",
  type: "number",
  decorators: [{ name: "PrimaryGeneratedColumn", arguments: [] }],
});

createBaseClassProp(source, "User", {
  name: "name",
  type: "string",
  decorators: [{ name: "Column", arguments: [] }],
});

这些代码将会创建：

import { PrimaryGeneratedColumn, Column, BaseEntity, Entity } from "typeorm";

export interface IUser {
  id: number;

  name: string;
}

@Entity()
export default class User extends BaseEntity implements IUser {
  @PrimaryGeneratedColumn()
  id: number;

  @Column()
  name: string;
}

其实本质上没有什么复杂的地方，就是将 ts-morph 的链式 API 封装好了针对于常用语句类型的增删改查方法：

  • 目前支持了 Import、Export、Class，下一个支持的应该会是 JSX(TSX)。
  • @ts-morpher 将增删改查方法拆分到了不同的 package 下，如 @ts-morpher/helper 中的方法均用于获取声明或声明 Identifier ，如你可以获取一个文件里所有的导入的 Module Specifier（fs 之于 import fsMod from 'fs'），也可以获取所有导入的声明，但是你不用管这个声明长什么样，直接扔给 @ts-morpher/checker ，调用 checkImportType，看看这是个啥类型导入。

为什么我要搞这个东西？因为在我目前的项目中需要做一些源码级的约束，如我想要强制所有主应用与子应用的入口文件，都导入了某个新的 SDK，如 import 'foo-error-reporter' ，如果没有导入的话，那我就给你整一个！由于不是所有子应用、主应用都能纳入管控，因此就需要这么一个究极强制卡口来放到 CI 流水线上。如果这样的话，那么用 ts-morph 可能差不多够了，诶，不好意思，我就是觉得 AST 操作还可以更简单一点，干脆自己再搞一层好了。

它也有着 100% 的单测覆盖率和 100+ 方法，而是说它还没有达到理想状态，比如把 AST 操作的复杂度降到 0.5 以下，这一点我想可以通过提供可视化的 playground，让你点击按钮来调用方法，同时实时的预览转换结果，还可以在这之上组合一些常见的能力，如合并两个文件的导入语句，批量更改 JSX 组件等等。

这也是我从零折腾 AST 一个月来的些许收获，希望你能有所收获~

参考资料

[1]

babel-plugin-optional-chaining: https://github.com/babel/babel/blob/main/packages/babel-plugin-proposal-optional-chaining

[2]

babel-plugin-nullish-coalescing-operator: https://github.com/babel/babel/blob/main/packages/babel-plugin-proposal-nullish-coalescing-operator

[3]

jscodeshift: https://github.com/facebook/jscodeshift

[4]

神光: https://www.zhihu.com/people/di-xu-guang-50

[5]

gogocode: https://gogocode.io/

[6]

GraphQL Tools: https://github.com/ardatan/graphql-tools

[7]

ts-ast-viewer: https://ts-ast-viewer.com/#

[8]

ts-morph: https://ts-morph.com/

[9]

Vite: https://github.com/vitejs/vite

[10]

importAnalysisBuild.ts: https://github.com/vitejs/vite/blob/545b1f13cec069bbae5f37c7540171128f439e7b/packages/vite/src/node/plugins/importAnalysisBuild.ts#L217

[11]

@ts-morpher: https://ts-morpher-docs.vercel.app/

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