Пишем Lisp-интерпретатор на Java

в 11:41, , рубрики: java, разработка

Пишем Lisp-интерпретатор на Java - 1

Некоторое время назад мне захотелось написать свой небольшой интерпретируемый скриптовый язык, просто ради фана, не ставя перед собой каких-либо серьезных задач. Я тогда активно читал известную волшебную книгу SICP (Структура и интерпретация компьютерных программ), и мне захотелось реализовать описываемые в ней абстракции — функции как объекты первого класса, замыкания, макросы и т.п. Параллельно я интересовался языком Haskell, и решил совместить приятное с приятным, и написать интерпретатор языка на нем. В моем языке должна была быть строгая семантика с вызовом по значению и мутабельные переменные. Получившийся язык Lisp-семейства я в своем локальном окружении связал с именем Liscript, полная реализация которого уместилась в примерно 250 строк, включая парсер, ядро и консольный/файловый ввод-вывод. Этого более чем хватало, чтобы ради интереса решать любые задачки, какими обычно мучают студентов, которых угораздило изучать Lisp по учебной программе.

По прошествии времени мне захотелось сделать к интерпретатору кроссплатформенный GUI-интерфейс с перспективой портирования на Android, поэтому я реализовал второй вариант интерпретатора на Java, внешний вид которого вы можете видеть на картинке выше. Да, он поддерживает графический вывод и вообще interoperability с Java, и этот Тетрис написан на Liscript, видна часть его кода. Кому интересны подробности — прошу под кат.

В рамках одной статьи сложно уместить все особенности языка и его реализации, а писать сериал из многих статей, начиная с пространного описания реализации парсера с помощью стандартной библиотеки мне скромность не позволит. (К слову сказать, в обоих реализациях — и на Haskell и на Java я не пользовался никакими библиотеками парсинга, а писал все вручную — на Haskell это заняло аж целых 10 строк кода). Поэтому некоторые вещи буду писать в стиле «пришел, увидел, победил». В общем, написал я парсеры текста в AST типов. Единственно, хочу отметить пару моментов — я не фанат скобочек, но легкость парсинга, гомоиконность кода (код как данные) и отсутствие инфиксных бинарных операторов с необходимостью учета приоритета и ассоциативности и разбора через Польшу или сортировочные станции с лихвой перевешивает все претензии к подобному синтаксису. В результате парсинга я получаю список, который передается функции интерпретации. В Java-реализации я не стал пользоваться библиотечными типами списков, а навеловипедил свой — простой, односвязный, потоконебезопасный и т.п.:

Заголовок спойлера

    /** тип языка Liscript - односвязный список */
    public static class ConsList {
        /** объект - значение головы текущего списка */
        public Object car;
        /** список - значение хвоста текущего списка */
        public ConsList cdr;

        /** Конструктор со значениями головы и хвоста.
         * @param h объект - голова списка
         * @param t список - хвост списка
         */
        ConsList(Object h, ConsList t) { car = h; cdr = t; }

        /** проверяет, является ли список пустым
         * @return истина/ложь
         */
        public boolean isEmpty() { return this.car == null && this.cdr == null; }

        /** возвращает размер списка
         * @return размер
         */
        public int size() {
            int r = 0;
            ConsList p = this;
            while (!p.isEmpty()) {r += 1; p = p.cdr;}
            return r;
        }

        /** @return строковое представление текущего списка */
        @Override
        public String toString() { return showVal(this); }
    }

Подобным же образом реализованы типы-классы для функции, макроса. Пример кода класса-типа функции:

Заголовок спойлера

    /** тип языка Liscript - функция */
    public static class Func {
        /** односвязный список имен параметров функции */
        public ConsList pars;
        /** тело функции */
        public Object body;
        /** окружение, в котором создана функция */
        public Env clojure;

        /** Конструктор
         * @param p односвязный список имен параметров функции
         * @param b тело функции
         * @param c окружение, в котором создана функция
         */
        Func(ConsList p, Object b, Env c) { pars = p; body = b; clojure = c; }

        /** @return строковое представление функции */
        @Override
        public String toString() { return showVal(this); }
    }

Окружение

Реализовано в полном соответствии с SICP — иерархическая структура словарей, где каждый словарь — HashMap<String, Object>, класс содержит методы добавления, получения и изменения значения по строковому имени. И тут уже можно проявить творческий подход: например, что делать, если пытаемся получить значение по отсутствующему ключу (имени переменной)? Прервывать исполнение с ошибкой? Или возвращать строковое представление ключа? То же самое, если пытаемся добавить переменную, имя которой уже содержится в словаре текущего кадра окружения — давать ошибку или переопределять переменную? Подобные мелочи в результате определяют особенности языка, и например мне нравится, что я могу сам определять их. Получаем автоцитирование и глубокое связывание, со всеми плюсами и минусами такого подхода.

Также мне захотелось реализовать переменную арность особых форм прямо в ядре языка, а не потом в стандартной библиотеке. Многие из них допускают передачу ряда параметров и/или работают не совсем так, как их одноименные аналоги в других диалектах Lisp — это не усложняет реализацию интерпретатора. Пример работы с окружением (после => идет ответ интерпретатора):

++ "a1 = " a1 ", b1 = " b1 ", c1 = " c1
=> a1 = a1, b1 = b1, c1 = c1
def a1 1 b1 (+ a1 1) (++ "c" a1) (+ a1 b1)
=> OK
++ "a1 = " a1 ", b1 = " b1 ", c1 = " c1
=> a1 = 1, b1 = 2, c1 = 3
set! (++ "a" 1) 5 c1 10
=> OK
++ "a1 = " a1 ", b1 = " (get (++ "b" 1)) ", c1 = " c1
=> a1 = 5, b1 = 2, c1 = 10

Функции

Являются объектами первого класса. При создании функция захватывает текущий контекст. При вызове аргументы вычисляются строго последовательно. Реализована автоматическая оптимизация хвостовых вызовов — ТСО:

defn is-even (n) (cond (= n 0) true  (is-odd  (- n 1)) )
=> OK
defn is-odd  (n) (cond (= n 0) false (is-even (- n 1)) )
=> OK
is-even 10000
=> true
is-even 10001
=> false

Особая форма tray позволяет печатать стек вызовов при применении функции. Вот так, например, происходит вычисление факториала от 3:

Заголовок спойлера

defn f (i) (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1))))
=> OK
tray f 3
=> 
  1 ← (f 3)
    2 ← f
    2 → (lambda (i) (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1)))))
    2 ← (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1))))
      3 ← (< i 2)
        4 ← i
        4 → 3
      3 → false
      3 ← (* i (f (- i 1)))
        4 ← i
        4 → 3
        4 ← (f (- i 1))
          5 ← f
          5 → (lambda (i) (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1)))))
          5 ← (- i 1)
            6 ← i
            6 → 3
          5 → 2
          5 ← (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1))))
            6 ← (< i 2)
              7 ← i
              7 → 2
            6 → false
            6 ← (* i (f (- i 1)))
              7 ← i
              7 → 2
              7 ← (f (- i 1))
                8 ← f
                8 → (lambda (i) (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1)))))
                8 ← (- i 1)
                  9 ← i
                  9 → 2
                8 → 1
                8 ← (cond (< i 2) 1 (* i (f (- i 1))))
                  9 ← (< i 2)
                    10 ← i
                    10 → 1
                  9 → true
                8 → 1
              7 → 1
            6 → 2
          5 → 2
        4 → 2
      3 → 6
    2 → 6
  1 → 6
6

Если при вызове функции аргументов передано больше, чем количество формальных параметров, то последний формальный параметр свяжется со списком вычисленных оставшихся переданных аргументов. Если меньше — то эти формальные параметры окажутся не связаны в окружении вычисления функции и при вычислении ее тела будут искаться в окружениях верхнего уровня иерархии. Можно было бы выбрать вариант каррирования — возвращать частично примененную функцию, или выдавать ошибку несоответствия количества аргументов.

Макросы

Liscript поддерживает так называемые runtime-макросы, которые являются объектами первого класса языка. Их можно создавать, связывать с именами, возвращать как результат функций и выполнять в процессе работы (интерпретации кода). Полученное из текста исходного кода выражение сразу начинает интерпретироваться, без предварительной стадии раскрытия макросов, поэтому макросы остаются полноправными типами языка и раскрываются и вычисляются в процессе интерпретации по всем правилам вычисления макросов — сначала производится подстановка в тело макроса невычисленных переданных аргументов а затем это тело макроса вычисляется в текущем окружении (в отличие от тела функции, которое всегда вычисляется в отдельном собственном окружении, в котором уже присутствуют предварительно вычисленные значения фактических параметров):

 def m (macro (i r) (cond (<= i 0) 'r (m (- i 1) (cons i r))))
 => OK
 m 5 nil
 => (cons (- (- (- (- 5 1) 1) 1) 1) (cons (- (- (- 5 1) 1) 1) (cons (- (- 5 1) 1) (cons (- 5 1) (cons 5 nil)))))
 eval (m 5 nil)
 => (1 2 3 4 5)

Interoperability с Java

Реализовано через механизм Java Reflection. Всего 2 особые формы: class — определяет класс по полному имени и java — вызывает метод класса с переданными параметрами. Поиск нужного метода среди одноименных перегруженных осуществляется с учетом количества и типов переданных параметров. Для ускорения работы однажды найденный и вызванный в текущем сеансе работы интерпретатора метод класса запоминается в таблице вызванных методов и при вызове любого метода сначала происходит поиск в таблице — мемоизация.

def m (java (class "java.util.HashMap") "new")
=> OK
java m "put" 1 "a"
=> OK
java m "put" "b" 2
=> OK
java m "get" 1
=> a
m
=> {1=a, b=2}

Таким образом мы можем получить доступ ко многим ресурсам языка реализации, в том числе и к графике. Вот такой код открывает отдельное окно с нарисованной красной линией на белом фоне:

(def image (java (class "java.awt.image.BufferedImage") "new" 100 100 1))
(def imageGraphics (java image "createGraphics"))
(java imageGraphics "setBackground" (java (class "java.awt.Color") "new" 255 255 255))
(java imageGraphics "clearRect" 0 0 100 100)
(java imageGraphics "setColor" (java (class "java.awt.Color") "new" 255 0 0))

(java imageGraphics "drawLine" 10 10 90 90)

(def icon (java (class "javax.swing.ImageIcon") "new"))
(java icon "setImage" image)
(def label (java (class "javax.swing.JLabel") "new"))
(java label "setIcon" icon)

(def window (java (class "javax.swing.JFrame") "new"))
(java window "setLayout" (java (class "java.awt.FlowLayout") "new"))
(java window "add" label)
(java window "setVisible" true)
(java window "pack")

Разумеется, можно выделить типичные блоки в отдельные функции или макросы и прописать их один раз в стандартной библиотеке, которая подгружается при старте интерпретатора. А поскольку интерпретатор реализует многопоточное выполнение задач в отдельных закладках с общим мутабельным окружением (да, я знаю, что выбранная в качестве хранилища словаря HashMap не является потокобезопасной и это может создать проблемы при одновременном изменении окружения из параллельных потоков, и лучше было применить HashTable), так вот, это позволяет в одной закладке запустить процедуру, вызывающую саму себя через определенное время ожидания по таймеру, а в другом окне (потоке) — процедуру, запрашивающую пользовательский ввод и выполняющую определенные действия. Так и был реализован Тетрис (с особенностью блокирующего пользовательского ввода — каждую команду надо подтверждать с помощью Ctrl+Enter).

Данный проект доступен на Github по адресу github.com/Ivana-/Liscript-GUI-Java-Swing. В нем содержатся исходные файли интерпретатора и его GUI на Swing (я знаю что уже 21 век на дворе, но на JavaFX пока переписывать не тороплюсь), а также файлы скриптов стандартной библиотеки, описания языка, интерпретатора и достаточное количество демо-примеров. При желании покритиковать прошу учесть, что это мой первый проект на Java и на ООП языке вообще, так что многое может быть реализовано неоптимально. Но мне будет интересны мнения и обратная связь по этому проекту.

Автор: IIvana

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля