如何在我的 LISP 中实现宏系统答案

【问题标题】：How to implement a macro system into my LISP如何在我的 LISP 中实现宏系统
【发布时间】：2013-05-06 02:53:03
【问题描述】：

我正在编写我自己的 LISP，基于在 48 小时内为自己编写一个方案。（代码是here。）作为最后一个练习，我想实现宏。考虑到我将表达式表示为不可变数据类型的列表，如何做到这一点。这可以简单地在 LISP 本身中完成，还是我必须在 Haskell 中实现一些功能？

我目前的实现是用 Haskell 编写的，几乎像这样工作：

解析输入并将其转换为表达式列表
计算表达式并将其替换为单个表达式
返回该表达式并打印它

表达式在 Haskell 中表示如下：

data Expr
  = Sym String
  | List [Expr]
  | Num Int
  | Str String
  | Bool Bool
  | Func Env [String] Expr
  | Prim ([Expr] -> ErrorOr Expr)
  | Action ([Expr] -> IOErrorOr Expr)

好的，现在解决真正的问题。宏不会评估其参数，而是通过将参数“放置”在表单中来转换为表达式。返回可以被评估或作为带引号的列表返回的有效表达式。我正在考虑通过一个特殊的评估函数来实现这一点，它只评估宏形式的符号。但是，如何实现这一点是我有问题的理解。正确的解决方案感觉就像我应该通过用参数替换其中的符号来“简单地”修改表单，但由于 Haskell 的不变性，这是不可能的。

所以，Clojure 似乎已经在 Lisp 本身中实现了宏。我无法解释 Clojure 的解决方案，但如果可以做到这一点，感觉比在 Haskell 中做起来要容易一些。我不知道macroexpand1(which macroexpand call)做了什么，它是否从Clojure的实现中调用了一些函数？如果是这样，那么我仍然需要在 Haskell 中实现它。

如果我们看看函数是如何计算的：

eval env (List (op:args)) = do
  func <- eval env op
  args <- mapM (eval env) args
  apply func args

apply :: Expr -> [Expr] -> IOErrorOr Expr
apply (Prim func) args = liftToIO $ func args
apply (Action func) args = func args
apply (Func env params form) args =
  case length params == length args of
    True -> (liftIO $ bind env $ zip params args)
        >>= flip eval form
    False -> throwError . NumArgs . toInteger $ length params
apply _ _ = error "apply"

所以，如果我想实现一个宏系统，那么我可能会删除参数的评估部分，然后将宏参数绑定到它的参数，并有一个特殊的 eval，它只评估表单中的每个符号，返回一个而是将参数放入其中的新表单。这是我无法实现的，我什至不确定逻辑是否正确。

我知道这个问题的范围很广，可能更简单地问“如何在我用 Haskell 编写的 LISP 实现中实现宏系统

【问题讨论】：

您可以在参数/参数长度不匹配的情况下实现自动柯里化或可变参数（处理带有 dot 的参数列表）（比仅仅出错更有趣）。 :)

标签： haskell macros lisp implementation

【解决方案1】：

您可以尝试阅读计算机程序的结构和实现中的解释器实现。您清楚地展示的eval 函数仅适用于默认评估规则，不适用于本书所说的特殊形式。

一个普通的 Lisp eval 函数看起来更像这样：

eval env expr@(List _)
    | isSpecialForm env expr = evalSpecial env expr
    | otherwise = evalApplication env expr

evalApplication env (op:args) = do
  func <- eval env op
  args <- mapM (eval env) args
  apply func args

evalSpecial env expr@(List (op:args))
    | isMacro env op = eval env (macroExpand env expr)
    | otherwise = case op of
                    "lambda" -> ...
                    "if" -> ...
                    -- etc.

【讨论】：

【解决方案2】：

不，宏不能在 Lisp 本身中实现，这就是它们的全部意义所在。作为加载/编译/处理给定表达式的一部分，您必须根据其定义对每个宏调用进行宏扩展。

您必须更改您的 eval 实现以在未评估的参数上调用宏，并将结果反馈到 eval（不是 apply，就像处理普通函数应用程序那样）。正如 cmets 中的 sepp2k 所建议的那样，您可以将宏表示为 Func... 表达式，但将它们保存在一个单独的环境中，其中只存储宏。

另见：Lazy Evaluation vs Macros

【讨论】：

宏是一种有效的表达式类型吗？你在想macro-lambda之类的东西吗？这不是 Lisps 处理宏的方式（即宏不是您可以传递或存储在变量中的东西）。或者你是说宏 calls 是一个表达式？确实如此，但在他的Expr 类型宏调用中已经表示为Lists，其第一个元素是包含宏名称的Sym。
@sepp2k 他的 Lisp 不是必须识别 (defmacro ...) 表单才能拥有宏吗？现在它肯定能识别(lambda ...) 并将它们翻译成Func ... 表达式。他会将(defmacro ...) 翻译成哪个Expr？我收集到一些不同的东西。
@sepp2k 当然，另一种方式是将整个宏处理推入实现中。读取defmacro 表单会改变一些运行时内部结构，调用macroexpand-1 会访问这些内部结构，等等。是的，这也是可能的。尽管如此，它仍然更适合“在 Lisp 本身中”实现。
应该可以将defmacro 实现为Action。我想这就是define，例如`已经实现的方式。 lambda不能实现为Action的原因是它需要关闭环境，但是defmacro没有同样的问题。
其实我只是查看了github存储库，OP通过在eval函数中直接处理List [Sym "def", ...]来实现def和defn。所以我想他会对defmacro 使用相同的方法。

【解决方案3】：

您不需要apply 的特殊版本。只需调用常规 apply 而不计算参数，然后调用 eval apply 返回的表达式。

【讨论】：