用 C 语言开发一门编程语言 — 函数库的设计与实现

目录

前言

通过开发一门类 Lisp 的编程语言来理解编程语言的设计思想，本实践来自著名的《Build Your Own Lisp》。

• 代码实现：https://github.com/JmilkFan/Lispy

前文列表

《用 C 语言开发一门编程语言 — 交互式解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 语法解析器运行原理》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 波兰表达式解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 表达式存储器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 符号表达式解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 引用表达式解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 变量的设计与实现》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 基于 Lambda 表达式的函数设计与实现》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 条件分支的设计与实现》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 字符串的设计与实现》

基础功能演示

目前为止，我们开发的编程语言已经拥有了以下功能：

1. 交互式解析器界面；
2. MPC 语法解析器；
3. 基于波兰表达式的数字运算；
4. 基于符号表达式的代数运算；
5. 基于引用表达式的变量；
6. 基于 Lambda 表达式的函数；
7. 条件分支逻辑控制语句；
8. 文件加载；
9. 等等。

在本文中，我们将完整的演示上述技术功能，并尝试通过预定义一些常用的函数库来辅助编程。

数字运算

lispy> + 4 5  // 4+5
9
lispy> - 8 3  // 8-3
5
lispy> * 6 2  // 6 * 2
12
lispy> / 10 5  // 10/5
2
lispy> / 10 0  // 10/0
Division By Zero!
lispy> - (* 10 10) (+ 1 1 1)  // (10*10) - (1+1+1)
97

变量与代数运算

lispy> def {x} 1
()
lispy> + x 1
2
lispy> def {y} 2
()
lispy> + x y
3
lispy> def {a b} 2 3
()
lispy> + a b
5
lispy> + x (* a b) y  // x + (a * b) + y
9
lispy> def {arglist} {a b c d}
()
lispy> def arglist 1 2 3 4
()
lispy> list a b c d
{1 2 3 4}

列表处理

lispy> def { l1 } {1 2 3}
()
lispy> def { l2 } {4 5 6}
()
lispy> head l1
{1}
lispy> tail l1
{2 3}
lispy> join l1 l2
{1 2 3 4 5 6}
lispy> list l1 l1
{{1 2 3} {1 2 3}}
lispy> eval {+ 1 2 3}
6

Lambda 函数

lispy>  def {add-mul} (\ {x y} {+ x (* x y)})
()
lispy> add-mul 10 20
210
lispy> add-mul 30 40
1230
lispy> def {add-mul-ten} (add-mul 10)
()
lispy> add-mul-ten 50
510

条件分支

lispy> def {x y} 100 200
()
lispy> if (== x y) {+ x y} {- x y}
-100
lispy> if (< x y) {+ x y} {- x y}
300

字符串

lispy> print "Hello World!"
"Hello World!"
()
lispy> error "This is an error!"
This is an error!

源文件加载

$ cat hello.lspy
(print "hello world.")$ main hello.lspy
"hello world."

函数库

列表处理函数库

• list.lspylib

; 空类型
(def {nil} {}); 布尔类型
(def {true} 1)
(def {false} 0); 函数定义 Lambda 表达式
(def {fun} (\ {f b} {def (head f) (\ (tail f) b)
})); 取列表中的第一、二、三项
(fun {fst l} { eval (head l) })
(fun {snd l} { eval (head (tail l)) })
(fun {trd l} { eval (head (tail (tail l))) }); 获取列表长度
(fun {len l} {if (== l nil){0}{+ 1 (len (tail l))}
}); 取列表中的第 n 项
(fun {nth n l} {if (== n 0){fst l}{nth (- n 1) (tail l)}
}); 取列表中的最后一项
(fun {last l} {nth (- (len l) 1) l}); 取列表中的前 n 项
(fun {take n l} {if (== n 0){nil}{join (head l) (take (- n 1) (tail l))}
}); 删除列表中的前 n 项
(fun {drop n l} {if (== n 0){l}{drop (- n 1) (tail l)}
}); 从第 n 项分裂列表
(fun {split n l} {list (take n l) (drop n l)}); 取元素的 idx
(fun {elem x l} {if (== l nil){false}{if (== x (fst l)) {true} {elem x (tail l)}}
}); Map 函数：所有列表元素执行相同的操作
(fun {map f l} {if (== l nil){nil}{join (list (f (fst l))) (map f (tail l))}
}); Filter 函数：根据过滤条件进行元素过滤
(fun {filter f l} {if (== l nil){nil}{join (if (f (fst l)) {head l} {nil}) (filter f (tail l))}
}); Fold Left 函数：向左折叠逐一执行指定函数操作
(fun {foldl f z l} {if (== l nil){z}{foldl f (f z (fst l)) (tail l)}
}); 向左折叠求和
(fun {sum l} {foldl + 0 l})
; 向左折叠求积
(fun {product l} {foldl * 1 l})

应用：列表处理。

lispy> load "./samples/list.lspylib"
()
lispy> def {l1} {1 2 3 4 5 6}
()
lispy> len l1
6
lispy> nth 2 l1
3
lispy> last l1
6
lispy> take 3 l1
{1 2 3}
lispy> def {l2} (drop 4 l1)
()
lispy> l2
{5 6}
lispy> split 5 l1
{{1 2 3 4 5} {6}}
lispy> elem 1 l1
1
lispy> elem 7 l1
0
lispy> map (\ {x} {+ x 10}) {5 2 11}  // 所有元素的数值 +10
{15 12 21}
lispy> filter (\ {x} {> x 2}) {5 2 11 -7 8 1}  // 过滤出 >2 的元素
{5 11 8}
lispy> sum l1      // 求和
21
lispy> product l1  // 求积
720

条件分支函数库

• condition.lspylib

; 空类型
(def {nil} {}); 布尔类型
(def {true} 1)
(def {false} 0); 函数定义 Lambda 表达式
(def {fun} (\ {f b} {def (head f) (\ (tail f) b)
})); 取列表中的第一、二、三项
(fun {fst l} { eval (head l) })
(fun {snd l} { eval (head (tail l)) })
(fun {trd l} { eval (head (tail (tail l))) }); Unpack List for Function
(fun {unpack f l} {eval (join (list f) l)
})
; Pack List for Function
(fun {pack f & xs} {f xs}); switch 关键字
(fun {switch & cs} {if (== cs nil){error "No Selection Found"}{if (fst (fst cs)) {snd (fst cs)} {unpack switch (tail cs)}}
}); default 关键字
(def {default} true); case 关键字
(fun {case x & cs} {if (== cs nil){error "No Case Found"}{if (== x (fst (fst cs))) {snd (fst cs)} {unpack case (join (list x) (tail cs))}}
}); 条件选择月份后缀函数
(fun {month-day-suffix i} {switch{(== i 0)  "st"}{(== i 1)  "nd"}{(== i 3)  "rd"}{default   "th"}
}); 条件选择星期几函数
(fun {day-name x} {case x{0 "Monday"}{1 "Tuesday"}{2 "Wednesday"}{3 "Thursday"}{4 "Friday"}{5 "Saturday"}{6 "Sunday"}
})

• 应用：switch/case 语句。

lispy> load "./samples/condition.lspylib"
()
lispy> month-day-suffix 1
"nd"
lispy> month-day-suffix 2
"th"
lispy> day-name 0
"Monday"
lispy> day-name 1
"Tuesday"

数学库

• fibonacci.lspylib

; 空类型
(def {nil} {}); 布尔类型
(def {true} 1)
(def {false} 0); 函数定义 Lambda 表达式
(def {fun} (\ {f b} {def (head f) (\ (tail f) b)
})); 取列表中的第一、二、三项
(fun {fst l} { eval (head l) })
(fun {snd l} { eval (head (tail l)) })
(fun {trd l} { eval (head (tail (tail l))) }); Unpack List for Function
(fun {unpack f l} {eval (join (list f) l)
})
; Pack List for Function
(fun {pack f & xs} {f xs}); switch 关键字
(fun {switch & cs} {if (== cs nil){error "No Selection Found"}{if (fst (fst cs)) {snd (fst cs)} {unpack switch (tail cs)}}
}); default 关键字
(def {default} true); Fibonacci
(fun {fib n} {switch{ (== n 0) 0 }{ (== n 1) 1 }{ default (+ (fib (- n 1)) (fib (- n 2))) }
})

• 应用：

lispy> load "./samples/fibonacci.lspylib"
()
lispy>
()
lispy> fib 10
55
lispy> fib 20
6765