用 C 语言开发一门编程语言 — 函数库的设计与实现

Posted 2023-03-08 范桂飓

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文章目录

• 目录
• 前言
• 前文列表
• 基础功能演示
• • 数字运算
  • 变量与代数运算
  • 列表处理
  • Lambda 函数
  • 条件分支
  • 字符串
  • 源文件加载
• 函数库
• • 列表处理函数库
  • 条件分支函数库
  • 数学库

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