90分钟实现一门编程语言(极简解释器教程)

摘要：本文介绍了如何使用C#实现一个简化Scheme——iScheme及其解释器。如果你对下面的内容感兴趣：实现基本的词法分析，语法分析并生成抽象...

本文介绍了如何使用 C# 实现一个简化 Scheme——iScheme 及其解释器。

如果你对下面的内容感兴趣：

实现基本的词法分析，语法分析并生成抽象语法树。实现嵌套作用域和函数调用。解释器的基本原理。以及一些 C# 编程技巧。

那么请继续阅读。

如果你对以下内容感兴趣：

高级的词法/语法分析技术。类型推导/分析。目标代码优化。

本文则过于初级，你可以跳过本文，但欢迎指出本文的错误 :-)

代码样例

public static int Add(int a, int b) { return a + b; } >> Add(3, 4) >> 7 >> Add(5, 5) >> 10

这段代码定义了 Add 函数，接下来的 >> 符号表示对 Add(3, 4) 进行求值，再下一行的 >> 7 表示上一行的求值结果，不同的求值用换行分开。可以把这里的 >> 理解成控制台提示符（即Terminal中的PS）。

什么是解释器

解释器（Interpreter）是一种程序，能够读入程序并直接输出结果，如上图。相对于编译器（Compiler），解释器并不会生成目标机器代码，而是直接运行源程序，简单来说：

解释器是运行程序的程序。

计算器就是一个典型的解释器，我们把数学公式（源程序）给它，它通过运行它内部的”解释器”给我们答案。

iScheme 编程语言

iScheme 是什么？

Scheme 语言的一个极简子集。虽然小，但变量，算术|比较|逻辑运算，列表，函数和递归这些编程语言元素一应俱全。非常非常慢——可以说它只是为演示本文的概念而存在。

OK，那么 Scheme 是什么？

一种函数式程序设计语言。一种 Lisp 方言。麻省理工学院程序设计入门课程使用的语言（参见MIT 6.001和计算机程序的构造与解释）。

使用波兰表达式（Polish Notation）。

更多的介绍参见 [Scheme编程语言]。

以计算阶乘为例：

C#版阶乘

public static int Factorial(int n) { if (n == 1) { return 1; } else { return n * Factorial(n - 1); } }

iScheme版阶乘

(def factorial (lambda (n) ( if (= n 1) 1 (* n (factorial (- n 1))))))

数值类型

由于 iScheme 只是一个用于演示的语言，所以目前只提供对整数的支持。iScheme 使用 C# 的 Int64 类型作为其内部的数值表示方法。

定义变量

iScheme使用`def`关键字定义变量

>> (def a 3) >> 3 >> a >> 3

算术|逻辑|比较操作

与常见的编程语言（C#, Java, C++, C）不同，Scheme 使用波兰表达式，即前缀表示法。例如：

C#中的算术|逻辑|比较操作

// Arithmetic ops a + b * c a / (b + c + d) // Logical ops (cond1 && cond2) || cond3 // Comparing ops a == b 1 < a && a < 3

对应的iScheme代码

; Arithmetic ops (+ a (* b c)) (/ a (+ b c d)) ; Logical ops (or (and cond1 cond2) cond3) ; Comparing ops (= a b) (< 1 a 3)

需要注意的几点：

iScheme 中的操作符可以接受不止两个参数——这在一定程度上控制了括号的数量。

iScheme 逻辑操作使用 and , or 和 not 代替了常见的 && , || 和 ! ——这在一定程度上增强了程序的可读性。

顺序语句

iScheme使用 begin 关键字标识顺序语句，并以最后一条语句的值作为返回结果。以求两个数的平均值为例：

C#的顺序语句

int a = 3; int b = 5; int c = (a + b) / 2;

iScheme的顺序语句

(def c (begin (def a 3) (def b 5) (/ (+ a b) 2)))

控制流操作

iScheme 中的控制流操作只包含 if 。

if语句示例

>> (define a (if (> 3 2) 1 2)) >> 1 >> a >> 1

列表类型

iScheme 使用 list 关键字定义列表，并提供 first 关键字获取列表的第一个元素；提供 rest 关键字获取列表除第一个元素外的元素。

iScheme的列表示例

>> (define alist (list 1 2 3 4)) >> (list 1 2 3 4) >> (first alist) >> 1 >> (rest alist) >> (2 3 4)

定义函数

iScheme 使用 func 关键字定义函数：

iScheme的函数定义

(def square (func (x) (* x x))) (def sum_square (func (a b) (+ (square a) (square b))))

对应的C#代码

public static int Square (int x) { return x * x; } public static int SumSquare(int a, int b) { return Square(a) + Square(b); }

递归

由于 iScheme 中没有 for 或 while 这种命令式语言（Imperative Programming Language）的循环结构，递归成了重复操作的唯一选择。

以计算最大公约数为例：

iScheme计算最大公约数

(def gcd (func (a b) (if (= b 0) a (func (b (% a b))))))

对应的C#代码

public static int GCD (int a, int b) { if (b == 0) { return a; } else { return GCD(b, a % b); } } 高阶函数

和 Scheme 一样，函数在 iScheme 中是头等对象，这意味着：

可以定义一个变量为函数。函数可以接受一个函数作为参数。函数返回一个函数。

iScheme 的高阶函数示例

; Defines a multiply function. (def mul (func (a b) (* a b))) ; Defines a list map function. (def map (func (f alist) (if (empty? alist) (list ) (append (list (f (first alist))) (map f (rest alist))) ))) ; Doubles a list using map and mul. >> (map (mul 2) (list 1 2 3)) >> (list 2 4 6)

小结

对 iScheme 的介绍就到这里——事实上这就是 iScheme 的所有元素，会不会太简单了？ -_-

接下来进入正题——从头开始构造 iScheme 的解释程序。

解释器构造

iScheme 解释器主要分为两部分，解析（Parse）和求值（Evaluation）：

1、解析（Parse）：解析源程序，并生成解释器可以理解的中间（Intermediate）结构。这部分包含词法分析，语法分析，语义分析，生成语法树。

2、求值（Evaluation）：执行解析阶段得到的中介结构然后得到运行结果。这部分包含作用域，类型系统设计和语法树遍历。

词法分析

词法分析负责把源程序解析成一个个词法单元（Lex），以便之后的处理。

iScheme 的词法分析极其简单——由于 iScheme 的词法元素只包含括号，空白，数字和变量名，因此C#自带的 String#Split 就足够。

iScheme的词法分析及测试

public static String[] Tokenize(String text) { String[] tokens = text.Replace("(", " ( ").Replace(")", " ) ").Split(" trn".ToArray(), StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries); return tokens; } // Extends String.Join for a smooth API. public static String Join(this String separator, IEnumerable<Object> values) { return String.Join(separator, values); } // Displays the lexes in a readable form. public static String PrettyPrint(String[] lexes) { return "[" + ", ".Join(lexes.Select(s => "'" + s + "'") + "]"; } // Some tests >> PrettyPrint(Tokenize("a")) >> ['a'] >> PrettyPrint(Tokenize("(def a 3)")) >> ['(', 'def', 'a', '3', ')'] >> PrettyPrint(Tokenize("(begin (def a 3) (* a a))")) >> ['begin', '(', 'def', 'a', '3', ')', '(', '*', 'a', 'a', ')', ')'] 注意个人不喜欢 String.Join 这个静态方法，所以这里使用C#的扩展方法（Extension Methods）对String类型做了一个扩展。相对于LINQ Syntax，我个人更喜欢LINQ Extension Methods，接下来的代码也都会是这种风格。不要以为词法分析都是这么离谱般简单！vczh的词法分析教程给出了一个完整编程语言的词法分析教程。语法树生成

得到了词素之后，接下来就是进行语法分析。不过由于 Lisp 类语言的程序即是语法树，所以语法分析可以直接跳过。

以下面的程序为例：

程序即语法树

; (def x (if (> a 1) a 1)) ; 换一个角度看的话： ( def x ( if ( > a 1 ) a 1 ) )

更加直观的图片：

这使得抽象语法树（Abstract Syntax Tree）的构建变得极其简单（无需考虑操作符优先级等问题），我们使用SExpression类型定义 iScheme 的语法树（事实上S Expression也是Lisp表达式的名字）。

抽象语法树的定义

public class SExpression { public String Value { get; private set; } public List<SExpression> Children { get; private set; } public SExpression Parent { get; private set; } public SExpression(String value, SExpression parent) { this.Value = value; this.Children = new List<SExpression>(); this.Parent = parent; } public override String ToString() { if (this.Value == "(") { return "(" + " ".Join(Children) + ")"; } else { return this.Value; } } }

然后用下面的步骤构建语法树：

碰到左括号，创建一个新的节点到当前节点（current），然后重设当前节点。碰到右括号，回退到当前节点的父节点。否则把为当前词素创建节点，添加到当前节点中。

抽象语法树的构建过程

public static SExpression ParseAsIScheme(this String code) { SExpression program = new SExpression(value: "", parent: null); SExpression current = program; foreach (var lex in Tokenize(code)) { if (lex == "(") { SExpression newNode = new SExpression(value: "(", parent: current); current.Children.Add(newNode); current = newNode; } else if (lex == ")") { current = current.Parent; } else { current.Children.Add(new SExpression(value: lex, parent: current)); } } return program.Children[0]; } 注意使用自动属性（Auto Property），从而避免重复编写样版代码（Boilerplate Code）。使用命名参数（Named Parameters）提高代码可读性：new SExpression(value: "", parent: null)比new SExpression("", null)可读。使用扩展方法提高代码流畅性：code.Tokenize().ParseAsIScheme比ParseAsIScheme(Tokenize(code))流畅。大多数编程语言的语法分析不会这么简单！如果打算实现一个类似C#的编程语言，你需要更强大的语法分析技术：如果打算手写语法分析器，可以参考 LL(k), Precedence Climbing 和Top Down Operator Precedence。如果打算生成语法分析器，可以参考 ANTLR 或 Bison。作用域

作用域决定程序的运行环境。iScheme使用嵌套作用域。

以下面的程序为例

>> (def x 1) >> 1 >> (def y (begin (def x 2) (* x x))) >> 4 >> x >> 1

利用C#提供的 Dictionary<TKey, TValue> 类型，我们可以很容易的实现 iScheme 的作用域 SScope ：

iScheme的作用域实现

public class SScope { public SScope Parent { get; private set; } private Dictionary<String, SObject> variableTable; public SScope(SScope parent) { this.Parent = parent; this.variableTable = new Dictionary<String, SObject>(); } public SObject Find(String name) { SScope current = this; while (current != null) { if (current.variableTable.ContainsKey(name)) { return current.variableTable[name]; } current = current.Parent; } throw new Exception(name + " is not defined."); } public SObject Define(String name, SObject value) { this.variableTable.Add(name, value); return value; } }

类型实现

iScheme 的类型系统极其简单——只有数值，Bool，列表和函数，考虑到他们都是 iScheme 里面的值对象（Value Object），为了便于对它们进行统一处理，这里为它们设置一个统一的父类型 SObject ：

public class SObject { }

数值类型

iScheme 的数值类型只是对 .Net 中 Int64 （即 C# 里的 long ）的简单封装：

public class SNumber : SObject { private readonly Int64 value; public SNumber(Int64 value) { this.value = value; } public override String ToString() { return this.value.ToString(); } public static implicit operator Int64(SNumber number) { return number.value; } public static implicit operator SNumber(Int64 value) { return new SNumber(value); } }

注意这里使用了 C# 的隐式操作符重载，这使得我们可以：

SNumber foo = 30; SNumber bar = 40; SNumber foobar = foo * bar;

而不必：

SNumber foo = new SNumber(value: 30); SNumber bar = new SNumber(value: 40); SNumber foobar = new SNumber(value: foo.Value * bar.Value);

为了方便，这里也为 SObject 增加了隐式操作符重载（尽管 Int64 可以被转换为 SNumber 且 SNumber 继承自 SObject ，但 .Net 无法直接把 Int64 转化为 SObject ）：

public class SObject { ... public static implicit operator SObject(Int64 value) { return (SNumber)value; } }

Bool类型

由于 Bool 类型只有 True 和 False，所以使用静态对象就足矣。

public class SBool : SObject { public static readonly SBool False = new SBool(); public static readonly SBool True = new SBool(); public override String ToString() { return ((Boolean)this).ToString(); } public static implicit operator Boolean(SBool value) { return value == SBool.True; } public static implicit operator SBool(Boolean value) { return value ? True : False; } }

这里同样使用了 C# 的隐式操作符重载，这使得我们可以：

SBool foo = a > 1; if (foo) { // Do something... }

而不用

SBool foo = a > 1 ? SBool.True: SBool.False; if (foo == SBool.True) { // Do something... }

同样，为SObject增加隐式操作符重载：

public class SObject { ... public static implicit operator SObject(Boolean value) { return (SBool)value; } }

列表类型

iScheme使用.Net中的 IEnumberable<T> 实现列表类型 SList ：

public class SList : SObject, IEnumerable<SObject> { private readonly IEnumerable<SObject> values; public SList(IEnumerable<SObject> values) { this.values = values; } public override String ToString() { return "(list " + " ".Join(this.values) + ")"; } public IEnumerator<SObject> GetEnumerator() { return this.values.GetEnumerator(); } IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() { return this.values.GetEnumerator(); } }

实现IEnumerable<SObject>后，就可以直接使用LINQ的一系列扩展方法，十分方便。

函数类型

iScheme 的函数类型（SFunction）由三部分组成：

函数体：即对应的SExpression。参数列表。作用域：函数拥有自己的作用域

SFunction的实现

public class SFunction : SObject { public SExpression Body { get; private set; } public String[] Parameters { get; private set; } public SScope Scope { get; private set; } public Boolean IsPartial { get { return this.ComputeFilledParameters().Length.InBetween(1, this.Parameters.Length); } } public SFunction(SExpression body, String[] parameters, SScope scope) { this.Body = body; this.Parameters = parameters; this.Scope = scope; } public SObject Evaluate() { String[] filledParameters = this.ComputeFilledParameters(); if (filledParameters.Length < Parameters.Length) { return this; } else { return this.Body.Evaluate(this.Scope); } } public override String ToString() { return String.Format("(func ({0}) {1})", " ".Join(this.Parameters.Select(p => { SObject value = null; if ((value = this.Scope.FindInTop(p)) != null) { return p + ":" + value; } return p; })), this.Body); } private String[] ComputeFilledParameters() { return this.Parameters.Where(p => Scope.FindInTop(p) != null).ToArray(); } }

需要注意的几点

iScheme 支持部分求值（Partial Evaluation），这意味着：

部分求值

>> (def mul (func (a b) (* a b))) >> (func (a b) (* a b)) >> (mul 3 4) >> 12 >> (mul 3) >> (func (a:3 b) (* a b)) >> ((mul 3) 4) >> 12

也就是说，当 SFunction 的实际参数（Argument）数量小于其形式参数（Parameter）的数量时，它依然是一个函数，无法被求值。

这个功能有什么用呢？生成高阶函数。有了部分求值，我们就可以使用

(def mul (func (a b) (* a b))) (def mul3 (mul 3)) >> (mul3 3) >> 9

而不用专门定义一个生成函数：

(def times (func (n) (func (n x) (* n x)) ) ) (def mul3 (times 3)) >> (mul3 3) >> 9

SFunction#ToString 可以将其自身还原为源代码——从而大大简化了 iScheme 的理解和测试。

内置操作

iScheme 的内置操作有四种：算术|逻辑|比较|列表操作。

我选择了表达力（Expressiveness）强的 lambda 方法表来定义内置操作：

首先在 SScope 中添加静态字段 builtinFunctions ，以及对应的访问属性 BuiltinFunctions 和操作方法 BuildIn 。

public class SScope { private static Dictionary<String, Func<SExpression[], SScope, SObject>> builtinFunctions = new Dictionary<String, Func<SExpression[], SScope, SObject>>(); public static Dictionary<String, Func<SExpression[], SScope, SObject>> BuiltinFunctions { get { return builtinFunctions; } } // Dirty HACK for fluent API. public SScope BuildIn(String name, Func<SExpression[], SScope, SObject> builtinFuntion) { SScope.builtinFunctions.Add(name, builtinFuntion); return this; } }

注意：

Func<T1, T2, TRESULT>是 C# 提供的委托类型，表示一个接受T1和T2，返回TRESULT 这里有一个小 HACK，使用实例方法（Instance Method）修改静态成员（Static Member），从而实现一套流畅的 API（参见Fluent Interface）。

接下来就可以这样定义内置操作：

new SScope(parent: null) .BuildIn("+", addMethod) .BuildIn("-", subMethod) .BuildIn("*", mulMethod) .BuildIn("/", divMethod);

一目了然。

断言（Assertion）扩展

为了便于进行断言，我对 Boolean 类型做了一点点扩展。

public static void OrThrows(this Boolean condition, String message = null) { if (!condition) { throw new Exception(message "); } }

从而可以写出流畅的断言：

(a < 3).OrThrows("Value must be less than 3.");

而不用

if (a < 3) { throw new Exception("Value must be less than 3."); }

算术操作

iScheme 算术操作包含 + - * / % 五个操作，它们仅应用于数值类型（也就是 SNumber ）。

从加减法开始：

.BuildIn("+", (args, scope) => { var numbers = args.Select(obj => obj.Evaluate(scope)).Cast<SNumber>(); return numbers.Sum(n => n); }) .BuildIn("-", (args, scope) => { var numbers = args.Select(obj => obj.Evaluate(scope)).Cast<SNumber>().ToArray(); Int64 firstValue = numbers[0]; if (numbers.Length == 1) { return -firstValue; } return firstValue - numbers.Skip(1).Sum(s => s); })

注意到这里有一段重复逻辑负责转型求值（Cast then Evaluation），考虑到接下来还有不少地方要用这个逻辑，我把这段逻辑抽象成扩展方法：

public static IEnumerable<T> Evaluate<T>(this IEnumerable<SExpression> expressions, SScope scope) where T : SObject { return expressions.Evaluate(scope).Cast<T>(); } public static IEnumerable<SObject> Evaluate(this IEnumerable<SExpression> expressions, SScope scope) { return expressions.Select(exp => exp.Evaluate(scope)); }

然后加减法就可以如此定义：

.BuildIn("+", (args, scope) => (args.Evaluate<SNumber>(scope).Sum(s => s))) .BuildIn("-", (args, scope) => { var numbers = args.Evaluate<SNumber>(scope).ToArray(); Int64 firstValue = numbers[0]; if (numbers.Length == 1) { return -firstValue; } return firstValue - numbers.Skip(1).Sum(s => s); })

乘法，除法和求模定义如下：

.BuildIn("*", (args, scope) => args.Evaluate<SNumber>(scope).Aggregate((a, b) => a * b)) .BuildIn("/", (args, scope) => { var numbers = args.Evaluate<SNumber>(scope).ToArray(); Int64 firstValue = numbers[0]; return firstValue / numbers.Skip(1).Aggregate((a, b) => a * b); }) .BuildIn("%", (args, scope) => { (args.Length == 2).OrThrows("Parameters count in mod should be 2"); var numbers = args.Evaluate<SNumber>(scope).ToArray(); return numbers[0] % numbers[1]; }) 逻辑操作

iScheme 逻辑操作包括and，or和not，即与，或和非。

需要注意的是 iScheme 逻辑操作是短路求值（Short-circuit evaluation），也就是说：

(and condA condB)，如果condA为假，那么整个表达式为假，无需对condB求值。 (or condA condB)，如果condA为真，那么整个表达式为真，无需对condB求值。

此外和+ - * /一样，and和or也可以接收任意数量的参数。

需求明确了接下来就是实现，iScheme 的逻辑操作实现如下：

.BuildIn("and", (args, scope) => { (args.Length > 0).OrThrows(); return !args.Any(arg => !(SBool)arg.Evaluate(scope)); }) .BuildIn("or", (args, scope) => { (args.Length > 0).OrThrows(); return args.Any(arg => (SBool)arg.Evaluate(scope)); }) .BuildIn("not", (args, scope) => { (args.Length == 1).OrThrows(); return args[0].Evaluate(scope); }) 比较操作

iScheme 的比较操作包括= < > >= <=，需要注意下面几点：

=是比较操作而非赋值操作。

同算术操作一样，它们应用于数值类型，并支持任意数量的参数。

=的实现如下：

.BuildIn("=", (args, scope) => { (args.Length > 1).OrThrows("Must have more than 1 argument in relation operation."); SNumber current = (SNumber)args[0].Evaluate(scope); foreach (var arg in args.Skip(1)) { SNumber next = (SNumber)arg.Evaluate(scope); if (current == next) { current = next; } else { return false; } } return true; })

可以预见所有的比较操作都将使用这段逻辑，因此把这段比较逻辑抽象成一个扩展方法：

public static SBool ChainRelation(this SExpression[] expressions, SScope scope, Func<SNumber, SNumber, Boolean> relation) { (expressions.Length > 1).OrThrows("Must have more than 1 parameter in relation operation."); SNumber current = (SNumber)expressions[0].Evaluate(scope); foreach (var obj in expressions.Skip(1)) { SNumber next = (SNumber)obj.Evaluate(scope); if (relation(current, next)) { current = next; } else { return SBool.False; } } return SBool.True; }

接下来就可以很方便的定义比较操作：

.BuildIn("=", (args, scope) => args.ChainRelation(scope, (s1, s2) => (Int64)s1 == (Int64)s2)) .BuildIn(">", (args, scope) => args.ChainRelation(scope, (s1, s2) => s1 > s2)) .BuildIn("<", (args, scope) => args.ChainRelation(scope, (s1, s2) => s1 < s2)) .BuildIn(">=", (args, scope) => args.ChainRelation(scope, (s1, s2) => s1 >= s2)) .BuildIn("<=", (args, scope) => args.ChainRelation(scope, (s1, s2) => s1 <= s2))

注意 = 操作的实现里面有 Int64 强制转型——因为我们没有重载 SNumber#Equals ，所以无法直接通过 == 来比较两个 SNumber 。

列表操作

iScheme 的列表操作包括 first ， rest ， empty? 和 append ，分别用来取列表的第一个元素，除第一个以外的部分，判断列表是否为空和拼接列表。

first 和 rest 操作如下：

.BuildIn("first", (args, scope) => { SList list = null; (args.Length == 1 && (list = (args[0].Evaluate(scope) as SList)) != null).OrThrows("<first> must apply to a list."); return list.First(); }) .BuildIn("rest", (args, scope) => { SList list = null; (args.Length == 1 && (list = (args[0].Evaluate(scope) as SList)) != null).OrThrows("<rest> must apply to a list."); return new SList(list.Skip(1)); })

又发现相当的重复逻辑——判断参数是否是一个合法的列表，重复代码很邪恶，所以这里把这段逻辑抽象为扩展方法：

public static SList RetrieveSList(this SExpression[] expressions, SScope scope, String operationName) { SList list = null; (expressions.Length == 1 && (list = (expressions[0].Evaluate(scope) as SList)) != null) .OrThrows("<" + operationName + "> must apply to a list"); return list; }

有了这个扩展方法，接下来的列表操作就很容易实现：

.BuildIn("first", (args, scope) => args.RetrieveSList(scope, "first").First()) .BuildIn("rest", (args, scope) => new SList(args.RetrieveSList(scope, "rest").Skip(1))) .BuildIn("append", (args, scope) => { SList list0 = null, list1 = null; (args.Length == 2 && (list0 = (args[0].Evaluate(scope) as SList)) != null && (list1 = (args[1].Evaluate(scope) as SList)) != null).OrThrows("Input must be two lists"); return new SList(list0.Concat(list1)); }) .BuildIn("empty", (args, scope) => args.RetrieveSList(scope, "empty").Count() == 0)

测试

iScheme 的内置操作完成之后，就可以测试下初步成果了。

首先添加基于控制台的分析/求值（Parse/Evaluation）循环：

public static void KeepInterpretingInConsole(this SScope scope, Func<String, SScope, SObject> evaluate) { while (true) { try { Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Gray; Console.Write(">> "); String code; if (!String.IsNullOrWhiteSpace(code = Console.ReadLine())) { Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Green; Console.WriteLine(">> " + evaluate(code, scope)); } } catch (Exception ex) { Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red; Console.WriteLine(">> " + ex.Message); } } }

然后在 SExpression#Evaluate 中补充调用代码：

public override SObject Evaluate(SScope scope) { if (this.Children.Count == 0) { Int64 number; if (Int64.TryParse(this.Value, out number)) { return number; } } else { SExpression first = this.Children[0]; if (SScope.BuiltinFunctions.ContainsKey(first.Value)) { var arguments = this.Children.Skip(1).Select(node => node.Evaluate(scope)).ToArray(); return SScope.BuiltinFunctions[first.Value](arguments, scope); } } throw new Exception("THIS IS JUST TEMPORARY!"); }

最后在 Main 中调用该解释/求值循环：

static void Main(String[] cmdArgs) { new SScope(parent: null) .BuildIn("+", (args, scope) => (args.Evaluate<SNumber>(scope).Sum(s => s))) // 省略若干内置函数 .BuildIn("empty", (args, scope) => args.RetrieveSList("empty").Count() == 0) .KeepInterpretingInConsole((code, scope) => code.ParseAsScheme().Evaluate(scope)); }

运行程序，输入一些简单的表达式：

看样子还不错 :-)

接下来开始实现iScheme的执行（Evaluation）逻辑。

执行逻辑

iScheme 的执行就是把语句（SExpression）在作用域（SScope）转化成对象（SObject）并对作用域（SScope）产生作用的过程，如下图所示。

iScheme的执行逻辑就在 SExpression#Evaluate 里面：

public class SExpression { // ... public override SObject Evaluate(SScope scope) { // TODO: Todo your ass. } }

首先明确输入和输出：

处理字面量（Literals）：3；和具名量（Named Values）：x 处理if：(if (< a 3) 3 a) 处理def：(def pi 3.14) 处理begin：(begin (def a 3) (* a a)) 处理func：(func (x) (* x x)) 处理内置函数调用：(+ 1 2 3 (first (list 1 2))) 处理自定义函数调用：(map (func (x) (* x x)) (list 1 2 3))

此外，情况1和2中的SExpression没有子节点，可以直接读取其Value进行求值，余下的情况需要读取其Children进行求值。

首先处理没有子节点的情况：

处理字面量和具名量

if (this.Children.Count == 0) { Int64 number; if (Int64.TryParse(this.Value, out number)) { return number; } else { return scope.Find(this.Value); } }

接下来处理带有子节点的情况：

首先获得当前节点的第一个节点：

SExpression first = this.Children[0];

然后根据该节点的 Value 决定下一步操作：

处理 if

if 语句的处理方法很直接——根据判断条件（condition）的值判断执行哪条语句即可：

if (first.Value == "if") { SBool condition = (SBool)(this.Children[1].Evaluate(scope)); return condition ? this.Children[2].Evaluate(scope) : this.Children[3].Evaluate(scope); }

处理 def

直接定义即可：

else if (first.Value == "def") { return scope.Define(this.Children[1].Value, this.Children[2].Evaluate(new SScope(scope))); }

处理 begin

遍历语句，然后返回最后一条语句的值：

else if (first.Value == "begin") { SObject result = null; foreach (SExpression statement in this.Children.Skip(1)) { result = statement.Evaluate(scope); } return result; }

处理 func

利用 SExpression 构建 SFunction ，然后返回：

else if (first.Value == "func") { SExpression body = this.Children[2]; String[] parameters = this.Children[1].Children.Select(exp => exp.Value).ToArray(); SScope newScope = new SScope(scope); return new SFunction(body, parameters, newScope); }

处理 list

首先把 list 里的元素依次求值，然后创建 SList ：

else if (first.Value == "list") { return new SList(this.Children.Skip(1).Select(exp => exp.Evaluate(scope))); }

处理内置操作

首先得到参数的表达式，然后调用对应的内置函数：

else if (SScope.BuiltinFunctions.ContainsKey(first.Value)) { var arguments = this.Children.Skip(1).ToArray(); return SScope.BuiltinFunctions[first.Value](arguments, scope); } 处理自定义函数调用

自定义函数调用有两种情况：

非具名函数调用：((func (x) (* x x)) 3) 具名函数调用：(square 3)

调用自定义函数时应使用新的作用域，所以为SFunction增加Update方法：

public SFunction Update(SObject[] arguments) { var existingArguments = this.Parameters.Select(p => this.Scope.FindInTop(p)).Where(obj => obj != null); var newArguments = existingArguments.Concat(arguments).ToArray(); SScope newScope = this.Scope.Parent.SpawnScopeWith(this.Parameters, newArguments); return new SFunction(this.Body, this.Parameters, newScope); }

为了便于创建自定义作用域，并判断函数的参数是否被赋值，为 SScope 增加 SpawnScopeWith 和 FindInTop 方法：

public SScope SpawnScopeWith(String[] names, SObject[] values) { (names.Length >= values.Length).OrThrows("Too many arguments."); SScope scope = new SScope(this); for (Int32 i = 0; i < values.Length; i++) { scope.variableTable.Add(names[i], values[i]); } return scope; } public SObject FindInTop(String name) { if (variableTable.ContainsKey(name)) { return variableTable[name]; } return null; }

下面是函数调用的实现：

else { SFunction function = first.Value == "(" ? (SFunction)first.Evaluate(scope) : (SFunction)scope.Find(first.Value); var arguments = this.Children.Skip(1).Select(s => s.Evaluate(scope)).ToArray(); return function.Update(arguments).Evaluate(); }

完整的求值代码

综上所述，求值代码如下

public SObject Evaluate(SScope scope) { if (this.Children.Count == 0) { Int64 number; if (Int64.TryParse(this.Value, out number)) { return number; } else { return scope.Find(this.Value); } } else { SExpression first = this.Children[0]; if (first.Value == "if") { SBool condition = (SBool)(this.Children[1].Evaluate(scope)); return condition ? this.Children[2].Evaluate(scope) : this.Children[3].Evaluate(scope); } else if (first.Value == "def") { return scope.Define(this.Children[1].Value, this.Children[2].Evaluate(new SScope(scope))); } else if (first.Value == "begin") { SObject result = null; foreach (SExpression statement in this.Children.Skip(1)) { result = statement.Evaluate(scope); } return result; } else if (first.Value == "func") { SExpression body = this.Children[2]; String[] parameters = this.Children[1].Children.Select(exp => exp.Value).ToArray(); SScope newScope = new SScope(scope); return new SFunction(body, parameters, newScope); } else if (first.Value == "list") { return new SList(this.Children.Skip(1).Select(exp => exp.Evaluate(scope))); } else if (SScope.BuiltinFunctions.ContainsKey(first.Value)) { var arguments = this.Children.Skip(1).ToArray(); return SScope.BuiltinFunctions[first.Value](arguments, scope); } else { SFunction function = first.Value == "(" ? (SFunction)first.Evaluate(scope) : (SFunction)scope.Find(first.Value); var arguments = this.Children.Skip(1).Select(s => s.Evaluate(scope)).ToArray(); return function.Update(arguments).Evaluate(); } } } 去除尾递归

到了这里 iScheme 解释器就算完成了。但仔细观察求值过程还是有一个很大的问题，尾递归调用：

处理if的尾递归调用。处理函数调用中的尾递归调用。

Alex Stepanov 曾在Elements of Programming中介绍了一种将严格尾递归调用（Strict tail-recursive call）转化为迭代的方法，细节恕不赘述，以阶乘为例：

// Recursive factorial. int fact (int n) { if (n == 1) return result; return n * fact(n - 1); } // First tranform to tail recursive version. int fact (int n, int result) { if (n == 1) return result; else { result *= n; n -= 1; return fact(n, result);// This is a strict tail-recursive call which can be omitted } } // Then transform to iterative version. int fact (int n, int result) { while (true) { if (n == 1) return result; else { result *= n; n -= 1; } } }

应用这种方法到 SExpression#Evaluate ，得到转换后的版本：

public SObject Evaluate(SScope scope) { SExpression current = this; while (true) { if (current.Children.Count == 0) { Int64 number; if (Int64.TryParse(current.Value, out number)) { return number; } else { return scope.Find(current.Value); } } else { SExpression first = current.Children[0]; if (first.Value == "if") { SBool condition = (SBool)(current.Children[1].Evaluate(scope)); current = condition ? current.Children[2] : current.Children[3]; } else if (first.Value == "def") { return scope.Define(current.Children[1].Value, current.Children[2].Evaluate(new SScope(scope))); } else if (first.Value == "begin") { SObject result = null; foreach (SExpression statement in current.Children.Skip(1)) { result = statement.Evaluate(scope); } return result; } else if (first.Value == "func") { SExpression body = current.Children[2]; String[] parameters = current.Children[1].Children.Select(exp => exp.Value).ToArray(); SScope newScope = new SScope(scope); return new SFunction(body, parameters, newScope); } else if (first.Value == "list") { return new SList(current.Children.Skip(1).Select(exp => exp.Evaluate(scope))); } else if (SScope.BuiltinFunctions.ContainsKey(first.Value)) { var arguments = current.Children.Skip(1).ToArray(); return SScope.BuiltinFunctions[first.Value](arguments, scope); } else { SFunction function = first.Value == "(" ? (SFunction)first.Evaluate(scope) : (SFunction)scope.Find(first.Value); var arguments = current.Children.Skip(1).Select(s => s.Evaluate(scope)).ToArray(); SFunction newFunction = function.Update(arguments); if (newFunction.IsPartial) { return newFunction.Evaluate(); } else { current = newFunction.Body; scope = newFunction.Scope; } } } } }

一些演示

基本的运算

高阶函数

回顾小结

除去注释（貌似没有注释-_-），iScheme 的解释器的实现代码一共 333 行——包括空行，括号等元素。

在这 300 余行代码里，实现了函数式编程语言的大部分功能：算术|逻辑|运算，嵌套作用域，顺序语句，控制语句，递归，高阶函数，部分求值。

与我两年之前实现的 Scheme 方言Lucida相比，iScheme 除了没有字符串类型，其它功能和Lucida相同，而代码量只是前者的八分之一，编写时间是前者的十分之一（Lucida 用了两天，iScheme 用了一个半小时），可扩展性和易读性均秒杀前者。这说明了：

代码量不能说明问题。不同开发者生产效率的差别会非常巨大。这两年我还是学到了一点东西的。-_- 一些设计决策使用扩展方法提高可读性

例如，通过定义OrThrows

public static void OrThrows(this Boolean condition, String message = null) { if (!condition) { throw new Exception(message "); } }

写出流畅的断言：

(a < 3).OrThrows("Value must be less than 3.");

声明式编程风格

以 Main 函数为例：

static void Main(String[] cmdArgs) { new SScope(parent: null) .BuildIn("+", (args, scope) => (args.Evaluate<SNumber>(scope).Sum(s => s))) // Other build .BuildIn("empty", (args, scope) => args.RetrieveSList("empty").Count() == 0) .KeepInterpretingInConsole((code, scope) => code.ParseAsIScheme().Evaluate(scope)); }

非常直观，而且

如果需要添加新的操作，添加写一行BuildIn即可。如果需要使用其它语法，替换解析函数ParseAsIScheme即可。如果需要从文件读取代码，替换执行函数KeepInterpretingInConsole即可。

不足

当然iScheme还是有很多不足：

语言特性方面：

缺乏实用类型：没有Double和String这两个关键类型，更不用说复合类型（Compound Type）。没有IO操作，更不要说网络通信。效率低下：尽管去除尾递归挽回了一点效率，但iScheme的执行效率依然惨不忍睹。错误信息：错误信息基本不可读，往往出错了都不知道从哪里找起。不支持延续调用（Call with current continuation，即call/cc）。没有并发。各种bug：比如可以定义文本量，无法重载默认操作，空括号被识别等等。

设计实现方面：

使用了可变（Mutable）类型。没有任何注释（因为觉得没有必要 -_-）。糟糕的类型系统：Lisp类语言中的数据和程序可以不分彼此，而iScheme的实现中确把数据和程序分成了SObject和SExpression，现在我依然没有找到一个融合他们的好办法。

这些就留到以后慢慢处理了 -_-（TODO YOUR ASS）