实现自己的Lisp解释器(一)

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发了好几篇关于Lisp的文章,但是一直苦于手头没有一个合用的Lisp解释器,于是狠一狠心,决定自己写一个,一来是为了配合前几篇入门教程,二来也算是打发无聊的时光吧。

花了不到两天时间,写出了一个Lisp解释器的雏形,遵照惯例,我给它起名叫Lisp48,意思就是48小时内写出的Lisp,当然,你也可以把它理解为只完成了48%的Lisp。其中还有很多Bug,很多语句还不能正常工作,不过我想这应该不妨碍我们理解如何用“命令式语言”构造一个最基本的Lisp解释器。

整个源程序发表在这里:http://www.msnusers.com/TheWindozeFamily/Documents/Lisp48.zip

注意:这个程序完全没有优化,执行效率在某些情况下可能会低的惊人,如果你有兴趣,对于这个问题我们可以进一步探讨。

如果你是一个软件工程派,喜欢合理的结构,规范的代码和详尽的文档,你一定不会喜欢我写的程序;如果你是一个Design Pattern Zealot,你一定会发现我的程序里很多地方没有规范的使用GoF Pattern。考虑到这是一个Quick and Dirty Solution,我建议你把有关规范性的合理化建议放到你所在的公司/学校/组织机构的开发例会上提出,这样会更有效。

如果这些可能被你视为垃圾的代码严重的伤害了你的感情,触犯了你的审美观和道德观,你可以选择:1、提出改进意见;2、在其它地方痛斥我和程序;3、去看别的网页。如果你在我的地盘上用不适当的词语斥责我,结果只能是删贴,这样做浪费的不光是我的时间和精力,还有你的。

请不要在这里发表对排版格式/命名规范的观点和看法,这里不是火葬场,不是Flame War应该出现的地方。而且我绝对不会采纳这样的意见。因为就我的个人经验,我采用的命名规范往往比你按照教科书提出的规范更好用。

Lisp的语法很简单,而且程序和数据结构相同,这就为我们编写解释器提供了很大的便利,而且为了简单起见,我们在这里不考虑Lexical Scope,而是按照McCarthy创造Lisp时所采用的Dynamic Scope方式进行名字解析,这样我们只需要在运行过程中保留一个Context。总而言之,现代Lisp中的一切会导致实现复杂化的因素在这里都不存在。

在Lisp中,函数、程序都是表,表是由原子和表组成的一个嵌套递归结构,所以我们首先从一个抽象的数据结构MetaObject说起。

在本程序中,MetaObject有如下形式的定义:

class MetaObject { public: virtual ~MetaObject(){} // 确保RTTI和dynamic_cast可以使用 // Overloads virtual MetaPtr Clone() const=0; virtual MetaPtr atom() const=0; virtual MetaPtr null() const=0; virtual MetaPtr eq(MetaPtr m) const=0; virtual MetaPtr equal(MetaPtr m) const=0; protected: // Convenient functions virtual std::string ToString() const=0; virtual void Parse(std::string s)=0; public: // Properties void Text(std::string s) { Parse(s); } std::string Text() const { return ToString(); } };

这里有几点需要注意:

Clone函数的作用顾名思义,把它放在这里的一个最主要的目的在于:在“古代”Lisp中,表达式没有副作用,所有的表和原子都是不可变的(对照Python中的不可变类型),修改一个表唯一的办法就是生成一个新表,既然如此,那么Clone接口就是很重要的,我们将会看到,Clone在整个程序中大量使用(这恐怕也是效率低下的一个主要原因)。 eq和equal,在Common Lisp中,eq测试两个表的“同一性”而不是值是否相等,也就是说(eq '(a b) '(a b))在CL中返回nil,测试是否相等要使用equal,(equal '(a b) '(a b))在CL中返回T;但是在“古代”的Lisp中,没有同一性测试,只有等值测试,使用eq操作符,(eq '(a b) '(a b))在其中返回T。
我在这里准备了两个操作符,但是由于我们要实现的是“古代”Lisp,所以eq在程序中并没有使用,只是放在这里而已。 一个空表一个原子,所以atom和null对于空表同时等于T。 ToString/Parse/Text用来处理文本输入输出,这里只是一个接口,具体实现在后面讨论。 关于垃圾收集,我没精神去自制一个GC,也没精神去研究bohemGC等流行的库,所以我采用了一种“穷人的垃圾收集”,也就是引用计数,这种方式在我目前的这个实现中是有好处的,因为在这里不存在循环引用的问题(除非是我程序的Bug),每一个新表都是通过Clone制做的Deep copy或者凭空new出来的。实际上我连引用计数都没兴趣自己做,所以我用了Boost.SharedPtr,这个比较省事。

 

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