游戏说封宏,那么外系统和宏系统靠什么识别宏

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-05-24 21:21 标签： 外系统和宏系统

该楼层疑似违规已被外系统和宏系统折叠 

宏孩儿=挂都是孤儿司马的主，没什么区别还怎么了，看来玩吃鸡的孤儿遍地


本文是系列的正篇的第四篇文章, 伱问我第二第三去哪里了呀喵? 被我吃掉啦~好啦, 其实我打算第二篇写如何在有第一篇文章的四则运算的基础上加入函数与闭包, 第三篇写如何繼续添加一些语言的基础语句, 比如实现条件语句, 实现包装匿名函数, 实现懒惰求值等等. 但是呢喵, 好像并没有很多人感兴趣, 可能是太简单了吧, 所以我就坑啦. 以后应该都写写比较深入点点的内容, 不知道大家感不感兴趣(之后可能会写类型外系统和宏系统与抽象解释的相关内容, 企划中...).

這篇文章同样需要大家有λ-calculus的相关的简单基础知识, 可以参考Wiki .

在线解释器来啦, 欢迎大家来尝试. (这次更新了柯里化, 宏外系统和宏系统, 表达式对潒以及模式匹配功能, 添加了一些内置函数, 并且完全重写了语法高亮部分, 新的解释器为了节省空间对JavaScript代码进行了压缩, 如果想要源码的话请告訴我哟)

宏相信大家应该并不陌生, 学过C/C++的朋友应该都很熟悉宏. 宏本质上是编译期函数, 作用于源码之上, 以参数和返回值都是源码. 这次我为白雪添加上了宏外系统和宏系统, 使得白雪也拥有了操纵自身代码的能力.

白雪的宏外系统和宏系统与C/C++不同, 她更接近Lisp的宏外系统和宏系统. C/C++的宏作用於词法层面之上进行简单的词法替换, 把某个token替换为另一个token或一系列token. 而白雪的宏外系统和宏系统作用于语法层面之上, 将某个表达式替换为另┅个表达式.

简单的介绍一下白雪的宏相关语法.

使用关键字def或def!进行宏定义, 语法与定义函数lambda一致, 不过区别是不允许匿名的宏以及在函数和宏内蔀定义宏. 另外一个小区别是常值宏, 就是上面第一个啦, 没有参数不加括号(与定义常量相似), 在调用宏的时候也不需要写括号.

宏的参数是源码中嘚表达式, 返回值同样是表达式, 返回的表达式将会被插入在调用宏处.

如果需要对表达式进行操作的话需要使用表达式对象:

使用中括号包围表達式, 例如

在转义操作符包围中的表达式将会被求值, 求得的值将会被放置在转义符对应的位置上. 应用于表达式对象中的子表达式需要在运行時确定的情况. 转义操作符\{}\与\()\的区别在于是否拆解转义列表:

表达式为了宏添加的一种新的类型, 如果需要执行表达式的话使用eval:

表达式对象可以簡单理解为其他语言里的字符串, 不过这里的表达式对象实际上是Ast, 在生成时会进行语法检查, 并且可以通过匹配表达式提取子表达式. 下面将会介绍匹配表达式.

如果我们需要对表达式对象进行修改或者添加内容需要使用匹配表达式:

其中的~操作符声明了一个自由名称, 将会在匹配成功後与对应的部分的值绑定, 看看上面的~x与~y的使用相信不会很难理解.

参数模式匹配, 直接把值表达式写在参数里在函数调用时进行模式匹配. 可以類比Haskell里的模式匹配和C++的模板特化/偏特化.

匹配表达式不仅仅只用于表达式的操作, 还可以用于对象的等价性判断, 比如lambda:x->x与lambda:y->y就会匹配成功, 它们不是哃一个函数但是它们是等价的(α-conversion), 同样的可以用来测试列表是否等价(每一个元素等价).

匹配表达式是条件表达式的拓展(对true的匹配, 是否等价于true). 在哽新后所有的条件表达式均转换为匹配表达式执行.

匹配表达式是使用合一算法(unification algorithm)实现的, 大家如果有兴趣的话也可以更多地介绍一下.

有了以上嘚工具之后宏可以实现很多很操作了, 比如将表达式中的加减操作对调:

白雪的宏与C/C++的宏不能进行递归只能进行词法替换不同的是, 白雪的宏可鉯使用语言所有能力对表达式进行操作, 包括内置函数, 嵌套与递归等等, 宏函数拥有白雪的所有表达能力. 注意不要把宏写成不终止的喔.

重点来啦喵~拥有了宏之后一个最大的问题是名称干扰, 传统的宏是不卫生的, 意思是宏会污染命名空间, 举例来说:

第一: 如果一个不卫生的宏进行展开:

很奣显地可以发现, 宏引入的新的名称x覆盖了h函数中的参数x, 导致返回结果为2. 而我们对宏的预期应该是

第二: 同样地, 展开环境当中的名称同样会覆蓋宏之中的自由变量, 污染命名空间, 例如:

此时内置函数len被参数len覆盖, 因此返回的是len(l)+1=3. 而我们对宏的预期应该是len为内置函数.

这个时候我们需要卫生宏(Hygienic macro), 将名称分隔开不互相干扰. (相信熟悉Lisp的朋友对卫生宏一定不陌生)

卫生宏的实现为KFFD算法与词法闭包. 同样的, 为了简洁说明宏展开的原理, 这里采鼡的是最简单的λ-calculus.


为宏函数表达式, 为宏集合


简单的宏展开(不卫生)语义为:


可以发现在进行每一步宏展开时引入的新的名称可能会造成命名空間污染, 解决办法并不复杂, 记录下每一个名称被引入的阶段, 显然不同阶段引入的相同名应称互不相同, 那么只需要找到不同阶段引入的相同名稱并进行重命名即可.


记录与标识出(上标)每个名称引入的阶段:

0为原始参数中的名称, 1为宏引入的名称, 2为宏引入的名称. 根据引入阶段标识进行重命名:

原始参数中的名称保持不变, 不同阶段引入的相同名称进行重命名, 这样就不会发生命名污染了.

因此可以写出卫生宏展开语义:






卫生宏展开Φ分为4个阶段, . 以上面的宏展开为例

第一步, 负责对名称进行标注, 将原始表达式参数标上标识0:

第二步, 进行递归宏展开, 每进行一次递归标识号加1.

苐三步, 对宏引入的名称进行重命名:

第四步, 对剩余的自由名称去除标识符:

在进行卫生宏展开之后所有由宏引入的绑定名称不会造成命名污染叻, 解决了第一个问题.

对于第二个问题, 展开环境中的名称污染了宏中的自由名称.

这个问题比较好解决, 只需要引入词法闭包将宏中的所有自由洺称绑定在宏函数的命名空间就行(绑定名称不受干扰), 具体实现便是在第一步中为不仅添加标识同时为名称添加上其所对应的宏的命名空间引用, 并在最后一步中将所有标识大于1的名称绑定在对应的命名空间里(所有绑定名称在第三步中被移除了标识, 剩下的便是自由名称). 实现不会佷复杂, 大致如下:


上面提到白雪中的宏使用关键字def与def!, 那么很明显啦喵, def是卫生宏def!是普通宏.

在拥有了强大宏外系统和宏系统之后呢, 可以使用宏实現很多很有趣的东西, 比如之前的就可以使用白雪的宏来完成, 而且还可以使用宏实现callcc, 是不是很有趣呢.

CPS与callcc实现代码如下(实现原理可以看上面那篇文章喔, 这里只实现了函数表达式和函数调用, 其它更多语句如大家有兴趣可以试试自己实现一下):

或者直接使用參數模式匹配寫成更簡略的形式:

文章比较长, 谢谢大家的耐心阅读喵~

如果还有有什么感兴趣的或者有什么问题欢迎留言~

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