如何實現Lisp宏系統？

Question

我實現我自己的Lisp語言上的Node.js的頂部，我可以運行s表達式是這樣的：

 
(assert (= 3 (+ 1 2))) 

(def even? (fn [n] (= 0 (bit-and n 1)))) 

(assert (even? 4)) 
(assert (= false (even? 5))) 

現在我想補充的宏 - 的defmacro功能 - 但是這是我米卡住了。我想知道如何在其他Lisp實現宏系統，但我找不到許多指針（除了this和this）。

我看了一下Clojure宏系統 - 我最熟悉的Lisp - 但這似乎太複雜了，我找不到更多的線索，我可以隨時應用（Clojure宏最終編譯爲字節碼不適用於JavaScript，我也無法理解macroexpand1函數。）

所以我的問題是：給定一個沒有宏但帶有AST的Lisp實現，如何添加像Clojure的宏這樣的宏系統系統？這個宏系統可以在Lisp中實現嗎，還是在宿主語言中需要額外的特性？

一個額外的評論：我還沒有實施quote（'），但因爲我不知道返回列表中應該是什麼樣的值。它是否應該包含AST元素或對象，如Symbol和Keyword（後者是Clojure的情況）？

Answer 1

所有的宏都將未評估的形式作爲參數並在其主體上執行替換。實現宏系統的訣竅是告訴你的編譯器是lazy。換句話說，當編譯器遇到函數時，它首先計算它的形式參數列表，產生結果並將它們傳遞給函數。當編譯器找到一個宏時，它會將參數未評估的傳遞給主體，然後執行主體請求的任何計算，最後用它們的結果替換自己。

舉例來說，假設你有一個函數：

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

和宏：

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

然後，你可以看到立竿見影的區別：

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

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

要了解爲什麼這是，你需要以一種說話的方式，在你的腦海中運行編譯器。

當Lisp遇到函數時，它會構建一棵樹，其中(rand)首先被計算，並將結果傳遞給函數，該函數將三次打印結果。

在另一方面，當Lisp中遇到的宏時，它把形式(rand)不變到主體，它返回其中x由(rand)替換引用列表，得到：

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

和替換這個新表單的宏調用。

Here你會發現大量關於各種語言的宏的文檔，包括Lisp。

Answer 2

你需要有一個宏觀擴張階段在評價鏈：

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

注意的是，宏擴展應該是遞歸（macroexpand直到沒有macroexpandable是左）。

您的環境需要能夠「保留」可在此階段按名稱查找的宏擴展功能。請注意，defmacro是Common Lisp中的一個宏，該宏設置正確的調用以將該名稱與該環境中的宏擴展函數相關聯。

Answer 3

看一看this的例子。這是一個Arc類編譯器的玩具實現，具有體面的宏觀支持。

Answer 4

這是來自Peter Norvig的Paradigms of Artificial Intelligence Programming - 這是任何LISP程序員書架的必備書籍。

他假設你正在實施一種解釋型語言，並提供了在LISP中運行的Scheme Interpreter的示例。

The following two examples here展示他是如何增加宏到主eval功能（interp）

下面是函數來處理宏之前解釋的S-表達：

(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)))))))) 

這裏，它是後已添加宏評估（子方法已在參考鏈接中以獲得清晰度

(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的開頭章節有着非常類似的功能，他稱之爲eval。