基于Vim的DarwIn机器人开发集成平台
2020-11-04高玲玲戴秉秩
高玲玲 戴秉秩
(1.合肥学院 人工智能与大数据学院，安徽 合肥 230023；2.合肥移瑞通信技术有限公司，安徽 合肥 230088)
1 背景介绍
DarwIn机器人由于其设备特点，开发过程与服务器开发类似，基本采用SSH远程连接方式开发[1]。但使用SSH远程连接的方式存在无法在终端中运行图形化开发工具的弊端。若采用文本编辑器在终端中运行，又不具有友好的集成开发环境。如果在桌面系统进行开发，则需要拷贝源码，开发过程十分复杂。本项目旨在为DarwIn机器人的开发提供一个友好的、能运行在终端环境中的集成开发环境。在DarwIn机器人开发过程中，可以采用SSH远程连接方式开发，也可以在PC端进行开发，本项目需要能够兼容这两种方式。
2 系统设计与实现
2.1 系统结构框架
根据IDE的使用场景及Vim的特点，IDE的总体功能采用模块化设计，每个功能模块之间相互独立，Vim负责与用户进行交互，并与各个模块通信，如图1所示。
图1 IDE软件框架
2.2 子功能模块的设计与实现
2.2.1 文件列表及代码标签查看模块设计与实现
文件列表查看模块需要支持文件夹的打开与关闭，文件的快速打开编辑等功能，该模块采用分离式设计，由交互窗口、适配器和运算器三部分组成，其运算器使用Linux标准工具包的ls工具来实现[2]。
代码标签查看模块与文件浏览模块类似。针对不同的语言，存在代码标签格式不同的问题，因此，本项目在适配器层面引入二级适配器结构。一级适配器负责将运算器传递的标签进行简单处理，并筛选对应开发语言的二级适配器，将处理结果传递给二级适配器；二级适配器根据一级适配器的筛选结果，使用对应语言的处理模块，对代码标签进行处理，并将处理结果返回给一级适配器。适配器分级后，可以使原本固定的适配器变成一个可拓展的结构。
一二级适配器的接口使用字典的数据结构，字典的Key为标签类型，Value为一个列表，其中包含该类型的所有标签。采用如下方式实现可扩展框架：(1)维护一个filetype变量，存放需要生成代码标签的代码文件类型；(2)语言适配器统一存放在autoload目录下，命名均使用“语言对应文件类型tags.vim”；(3)语言适配器中提供一个“GenerateTags()”函数，该函数返回处理后的标签字典。工作流程，如图2所示。
图2 DTag工作流程
2.2.2 C++代码自动格式化模块设计与实现
根据使用场景，该模块的结构划分为句子合成器和词法分析器。Vim将句子送入词法分析器，词法分析器对句子进行分割，并将分割后的词法单元送入句子合成器[3]。句子合成器按照规则，向词法单元中添加空白符。
然而，从代码分割出词法单元的过程，实际上是正则表达式匹配的过程。该过程中，有些多字符词法单元将会被过度分割，如注释符“//”将被匹配成两个除法符号。因此，单纯地使用正则表达式显然是无法解决过度分割问题，因此，引入自动机解决被过度分割的运算符重组成新的词法单元。例如，“//”符号将被词法分析器识别成“Divide Divide”，为将其修改为“Comment”，在此处添加一个自动机，当符号被该自动机接收时，读入的符号为“//”，可将其修改为词法单元“Comment”。
2.2.3 Makefile生成模块设计与实现
Gencmake模块实现递归遍历项目文件夹中的所有代码文件，并分析其依赖关系，生成一个中间文件，用户可以编辑该文件，最后使用第三方工具根据该中间文件生成Makefile[4]。根据该操作流程，将Gencmake的框架划分为代码分析器和文件检索器。代码分析器将代码所依赖的文件传递至文件检索器，文件检索器检索该文件，并将路径传递给代码分析器，这是一个递归的过程。递归后Gencmake将能够检索出项目的全部依赖关系，并生成中间文件，但如果依赖项以静态链接库的形式存在，则需要用户自行给出依赖关系并编辑中间文件。
2.2.4 DarwIn参数调节模块设计与实现
由于DarwIn提供了一个可以调节参数的Web服务器，因此，DarwInSetting模块的本质是一个爬虫应用，通过爬取Web页面的内容来显示到Vim上，再通过Post方法将修改后的参数传递至DarwIn的Web服务器，该模块的框架可以划分为交互窗口和爬虫，如图3所示。
图 3 DarwInSetting模块框架
而该模块工作流程，如图4所示。
图4 DarwInSetting工作流程
3 关键技术
3.1 正则表达式优化
从正则表达式引擎的角度分析，正则表达式引擎大量使用NFA(非确定有限状态自动机)作为解析器，而NFA在执行过程中，最影响效率的过程是回溯[5]。正则表达式的优化，就是要减少正则NFA解析器在匹配过程中的回溯。
结合回溯过程和正则表达式的语法特点，在编写正则表达式时，需要注意以下几点：
(a)尽量避免多选结构。例如，表达式“a|b|c|d|e|f”与表达式“[a-f]”匹配同样的字符，但前者将会有六个备用状态等待引擎回溯，这必然会造成效率的降低。
(b)提取锚点“^”“$”。例如，表达式“^a|^b”会比表达式“^(a|b)”多出一个备选状态，但二者的匹配功能是相同的。
(c)尽量避免回溯的时间复杂度指数级增长。如“([^/]+)*”，每次匹配都需要判断字符应属于“+”量词还是属于“*”量词，这样如果匹配一个长度为10的字符串，这样需要回溯(2^10)-1次，这种指数级增长的回溯会极大地降低匹配效率。
(d)从闭包中提取必需元素。如“a+”可以将其提取为“aa*”，这样可以减少正则式的一个备用状态。
(e)减少括号的使用。正则表达式中的元字符“()”会改变匹配的优先级，造成回溯现象，减少括号的使用，并减少回溯次数。
3.2 自动机
序列检测自动机匹配各种合适的序列并将其送至合成器，合成器根据序列的类型向其中添加空格。需要检测的词法单元包括注释、字符串等，自动机模型如图5、6、7所示。经过自动机处理后，原本被过度分割的词法单元能够重新组合成新的词法单元，以保证格式化的正确性。
图5 用于检测左块注释符的自动机模型
图6 用以检测右块注释符的自动机模型
图7 用以检测字符串的自动机模型
4 模块测试
4.1 文件列表及代码标签浏览查看模块
文件列表查看模块工作情况如图8所示，代码标签浏览模块如图9所示。
图8 文件列表查看模块
图9 代码标签查看模块
4.2 C++语法高亮模块测试
C++语法高亮模块加载效果如图10所示。
图10 加载语法高亮插件前后
4.3 C++自动格式化模块测试
C++自动格式化模块加载效果如图11所示。
图11 自动格式化前后
5 结论
本文借助Vim作为核心组件，使用VimScript和Python语言开发了一套能够用于DarwIn机器人开发工作的集成开发环境，应用该IDE能使DarwIn机器人的开发工作变得方便快捷。本文先就系统的可行性和用户需求进行了详细的分析，并根据需求对各个模块进行了详细的设计，同时，介绍了在实现各个模块时所用到的技术与原理，最后展示了整个IDE的运行效果，达到了准确和易用的设计目标。
