如何实现一个 Lisp 宏系统？

Question

我已经在 node.js 上实现了自己的 Lisp，我可以像这样运行 s-expression：

(断言 (= 3 (+ 1 2))) (def even? (fn [n] (= 0 (bit-and n 1)))) （断言（甚至？4）） (assert (= false (even?5)))

现在我想添加宏 - defmacro 函数 - 但这是我卡住的地方。我想知道如何在其他 Lisps 中实现宏系统，但我找不到很多指针（除了 this 和 this）。

我查看了 Clojure 宏系统——我最熟悉的 Lisp——但这似乎太复杂了，我找不到可以轻松应用的其他线索（Clojure 宏最终编译为字节码'不适用于 javascript，我也无法理解 macroexpand1 函数。）

所以我的问题是：给定一个没有宏但有 AST 的 Lisp 实现，如何添加像 Clojure 的宏系统这样的宏系统？这个宏系统可以在 Lisp 中实现，还是需要在宿主语言中实现额外的功能？

补充一点：我还没有实现quote (')，因为我无法弄清楚返回列表中应该包含什么样的值。它是否应该包含 AST 元素或对象，例如 Symbol 和 Keyword（Clojure 就是后者）？

Answer 1

宏所做的只是将未计算的形式作为参数并在其主体上执行替换。实现宏系统的技巧是告诉你的编译器是lazy。

换句话说，当编译器遇到一个函数时，它首先评估它的形式参数列表，产生结果并将它们传递给函数。当编译器找到一个宏时，它会将参数 unevaluate 传递给主体，然后执行主体请求的任何计算，最后用这些结果替换自身。

例如，假设你有一个函数：

(defun print-3-f (x) (progn (princ x) (princ x) (princ x)))

还有一个宏：

(defmacro print-3-m (x) `(progn (princ ,x) (princ ,x) (princ ,x)))

那你马上就能看出区别了：

CL-USER> (print-3-f (rand))
* 234
* 234
* 234

CL-USER> (print-3-m (rand))
* 24
* 642
* 85

要理解为什么会这样，从某种意义上说，您需要在脑海中运行编译器。

当 Lisp 遇到该函数时，它会构建一棵树，其中首先评估 (rand)，并将结果传递给函数，该函数将上述结果打印 3 次。

另一方面，当 Lisp 遇到宏时，它会将(rand) untouched 形式传递给主体，该主体返回一个带引号的列表，其中x 被(rand) 替换，产生：

(progn (princ (rand)) (princ (rand)) (princ (rand)))

并替换此新表单的宏调用。

Here 您会发现大量关于各种语言（包括 Lisp）的宏的文档。

Answer 2

您需要在评估链中有一个宏扩展阶段：

text-input -> read -> macroexpand -> compile -> load

请注意，宏扩展应该是递归的（宏扩展直到没有可扩展的宏）。

您的环境需要能够“保存”在此阶段可以通过名称查找的宏扩展函数。请注意，defmacro 本身是 Common Lisp 中的一个宏，它设置了正确的调用以将名称与该环境中的宏扩展函数相关联。

Answer 3

看看this 的例子。这是一个类似 Arc 的编译器的玩具实现，具有不错的宏支持。

Answer 4

这是来自 Peter Norvig 的 Paradigms of Artificial Intelligence Programming - 任何 LISP 程序员书架上的必备书籍。

他假设您正在实现一种解释型语言，并提供了在 LISP 中运行的方案解释器的示例。

The following two examples here 展示了他如何将宏添加到主要的 eval 函数 (interp)

这是在处理宏之前解释 S 表达式的函数：

(defun interp (x &optional env)
  "Interpret (evaluate) the expression x in the environment env."
  (cond
    ((symbolp x) (get-var x env))
    ((atom x) x)
    ((case (first x)
       (QUOTE  (second x))
       (BEGIN  (last1 (mapcar #'(lambda (y) (interp y env))
                              (rest x))))
       (SET!   (set-var! (second x) (interp (third x) env) env))
       (IF     (if (interp (second x) env)
                   (interp (third x) env)
                   (interp (fourth x) env)))
       (LAMBDA (let ((parms (second x))
                     (code (maybe-add 'begin (rest2 x))))
                 #'(lambda (&rest args)
                     (interp code (extend-env parms args env)))))
       (t      ;; a procedure application
               (apply (interp (first x) env)
                      (mapcar #'(lambda (v) (interp v env))
                              (rest x))))))))

这是在添加了宏评估之后（为了清楚起见，子方法已在参考链接中

(defun interp (x &optional env)
  "Interpret (evaluate) the expression x in the environment env.
  This version handles macros."
  (cond
    ((symbolp x) (get-var x env))
    ((atom x) x)

    ((scheme-macro (first x))              
     (interp (scheme-macro-expand x) env)) 

    ((case (first x)
       (QUOTE  (second x))
       (BEGIN  (last1 (mapcar #'(lambda (y) (interp y env))
                              (rest x))))
       (SET!   (set-var! (second x) (interp (third x) env) env))
       (IF     (if (interp (second x) env)
                   (interp (third x) env)
                   (interp (fourth x) env)))
       (LAMBDA (let ((parms (second x))
                     (code (maybe-add 'begin (rest2 x))))
                 #'(lambda (&rest args)
                     (interp code (extend-env parms args env)))))
       (t      ;; a procedure application
               (apply (interp (first x) env)
                      (mapcar #'(lambda (v) (interp v env))
                              (rest x))))))))

有趣的是Christian Queinnec'sLisp In Small Pieces的开头章节有一个非常相似的功能，他称之为eval。