compiler-construction - 是否可以在方案中实现 Common Lisp 的宏系统？

Question

希望这不是一个多余的问题。

作为方案的新手，我知道syntax-case宏比syntax-rules替代方案更强大，但代价是不必要的复杂性。

然而，是否有可能在方案中实现 Common Lisp 的宏系统，它比syntax-rules, using更强大syntax-case？

Answer 1

我会尽量简短——这很难，因为这通常是一个非常深刻的问题，超过问答的平均 SO 水平......所以这仍然会很长。我也会尽量保持公正；尽管我是从 Racket 的角度来看的，但我过去一直在使用 Common Lisp，而且我一直喜欢在两个世界（实际上在其他世界）中使用宏。它看起来不像是对您的问题的直接回答（在极端情况下，这只是“是”），但它正在比较两个系统，希望这将有助于为人们澄清这个问题——尤其是外面的人口齿不清（所有口味）谁会想知道为什么这么重要。我还将描述如何defmacro可以在“语法案例”系统中实现，但通常只是为了保持清楚（并且因为您可以找到这样的实现，一些在评论和其他答案中给出）。

首先，你的问题不是多余的——它是非常有道理的，而且（正如我所暗示的），Lisp 的 Scheme 新手和 Lisp 的 Scheme 新手遇到的事情之一。

其次，非常肤浅、非常简短的回答是人们告诉您的：是的，可以defmacro在支持 的 Scheme 中实现 CL syntax-case，并且正如预期的那样，您有多个指向此类实现的指针。反其道而行之，syntax-case使用 simple实现defmacro是一个比较棘手的主题，我不会过多讨论；我只想说它已经完成了，只是重新实现lambda和其他绑定结构的成本非常高，这意味着它基本上是对一种新语言的重新实现，如果你想使用这种实现，你应该承诺.

另一个澄清：人们，尤其是 CL 人员，经常崩溃与 Scheme 宏相关的两件事：卫生和syntax-rules. 问题是，在 R5RS 中，你所拥有的只是syntax-rules，这是一个非常有限的基于模式的重写系统。与其他重写系统一样，您可以天真地使用它，或者一直使用重写来定义一种小型语言，然后您可以使用它来编写宏。请参阅此文本有关如何完成此操作的已知解释。虽然可以做到这一点，但最重要的是这很难，你正在使用一些与你的实际语言没有直接关系的奇怪的小语言，这使得它与 Scheme 编程相去甚远——可能更糟在 CL 中使用卫生宏实现的方式并不是真正使用普通 CL。简而言之，可以使用 only syntax-rules，但这主要是理论上的，而不是您想要在“真实”代码中使用的东西。这里的要点是，卫生并不意味着仅限于syntax-rules.

然而，syntax-rules它并不是作为“方案”宏系统的——这个想法总是你有一些“低级”的宏实现，用于实现syntax-rules但也可以实现破坏卫生的宏——只是没有就特定的低级实现达成一致。R6RS 通过标准化“syntax-case”宏系统来解决这个问题（请注意，我使用“syntax-case”作为系统的名称，与syntax-case它的主要亮点不同的形式）。好像是为了表明讨论仍然存在，R7RS 退后一步将其排除在外，恢复到syntax-rules对低级系统没有承诺，至少就“小语言”而言。

现在，要真正理解这两个系统之间的区别，最好澄清一下它们所处理的类型之间的区别。有了defmacro，转换器基本上是一个接收 S 表达式并返回 S 表达式的函数。这里的 S 表达式是由一堆文字类型（数字、字符串、布尔值）、符号和它们的列表嵌套结构组成的类型。（实际使用的类型比这多一点，但这足以说明这一点。）问题是这是一个非常简单的世界：你得到的东西非常具体——你实际上可以打印输入/output 值，这就是你所拥有的。请注意，此系统使用符号表示标识符——符号在这个意义上是非常具体的东西：anx是一段只有那个名字的代码，x.

然而，这种简单性是有代价的：你不能将它用于卫生宏，因为你无法区分两个不同的标识符，它们都被称为x. 通常的基于 CL 的defmacro确实有一些额外的位来补偿其中的一些。一个这样的位是gensym- 一种创建“新鲜”符号的工具，这些符号是非内部的，因此保证与任何其他符号不同，包括具有相同名称的符号。另一个这样的位是转换器的&environment参数defmacro，它包含使用宏的位置的词法环境的一些表示。

很明显，这些事情使defmacro世界变得复杂，因为它不再处理普通的可打印值，并且因为您需要了解环境的某些表示 - 这使得宏实际上是一段代码更加清楚一个编译器钩子（因为这个环境本质上是编译器通常处理的某种数据类型，而且比 S 表达式更复杂）。但事实证明，它们不足以实施卫生。使用gensym您可以取消卫生的一个简单方面（避免宏端捕获用户代码），但另一方面（避免用户代码捕获宏代码）仍然保持开放。有些人对此感到满意，认为您可以避免的那种捕获就足够了 - 但是当您处理一个模块化系统时，其中宏的环境通常具有与其实现中使用的不同的绑定，另一面变成重要得多。

切换到语法案例宏系统（并愉快地跳过syntax-rules，这是使用 简单实现的syntax-case）。在这个系统中，如果简单的符号 S 表达式不足以表达完整的词汇知识（即两个不同绑定之间的差异，都称为x），那么我们将“丰富”它们并使用一种数据类型。（请注意，还有其他低级宏系统采用不同的方法来提供额外的信息，例如显式重命名和语法闭包。）

这样做的方法是使宏转换器成为消耗和返回“语法对象”的函数，这正是那种表示。更准确地说，这些语法对象通常建立在普通符号表示之上，仅包装在具有表示词法范围的附加信息的结构中。在某些系统中（特别是在 Racket 中），所有内容都包含在语法对象中——符号以及其他文字和列表。鉴于此，很容易从语法对象中获取 S 表达式也就不足为奇了：您只需提取符号内容，如果它是一个列表，则继续递归地执行此操作。在语法案例系统中，这是通过syntax-e实现语法对象的符号内容的访问器来完成的，并且syntax->datum它实现了递归降低结果的版本以生成完整的 S 表达式。作为旁注，这是一个粗略的解释，为什么在 Scheme 中人们不谈论将绑定表示为符号，而是表示为标识符。

另一方面，问题是如何从给定的符号名称开始构造这样的语法对象。这样做的方法是使用datum->syntax函数——但不是让 api 指定如何表示词法范围信息，函数将语法对象作为第一个参数，将符号 S 表达式作为第二个参数，并且它通过使用从第一个获取的词法范围信息正确包装 S 表达式来创建一个语法对象。这意味着要打破卫生习惯，您通常会从用户提供的语法对象（例如，宏的主体形式）开始，并使用其词法信息创建一些新的标识符，就像this在同一范围内可见的那样。

这个简短的描述足以了解您看到的宏是如何工作的。@ChrisJester-Young 展示的宏只接受语法对象，将其剥离为原始 S 表达式syntax->datum，使用 将其发送到defmacro转换器并取回 S 表达式，然后syntax->datum将结果转换回使用用户代码的词法上下文的语法对象。球拍的defmacro实现有点花哨：在剥离阶段，它保留一个哈希表，将生成的 S 表达式映射到它们的原始语法对象，并且在重建步骤中，它查阅该表以获得与最初的代码位相同的上下文。这使得它对于一些更复杂的宏来说是一个更健壮的实现，但它在 Racket 中也更有用，因为语法对象中有更多的信息，比如源位置、属性等，这种仔细的重建通常会产生输出值（语法对象）保留他们在进入宏的途中所拥有的信息。

defmacro有关语法案例系统的程序员的技术性介绍，请参阅我的编写syntax-case宏博客文章。如果您来自 Scheme 方面，它不会那么有用，但它仍然有助于澄清整个问题。

为了更接近结论，我应该指出，处理不卫生的宏仍然很棘手。更具体地说，有多种方法可以实现这种绑定，但它们在各种微妙的方式上是不同的，通常会回来咬你，在每种情况下留下略微不同的牙印。在像 CL 这样的“真实”defmacro系统中，你学会忍受一组特定的牙痕，这些牙痕相对众所周知，因此有些事情你就是不做。最值得注意的是，Racket 经常使用的相同名称的语言具有不同绑定的模块化组合。在语法案例系统中，更好的方法是fluid-let-syntax它用于“调整”词法范围名称的含义——最近，它已经演变成“语法参数”。对破坏卫生的宏的问题有一个很好的概述，其中包括描述如何尝试使用 hygienic syntax-rules、基本语法案例、CL 样式defmacro以及最后使用语法参数来解决它。这篇文章有点技术性，但它的前几页相对容易阅读，如果你理解了这一点，那么你将对整个辩论有一个很好的了解。（还有一篇较旧的博客文章在本文中得到了更好的介绍。）

我还应该提到，这远非宏的唯一“热点”问题。Scheme 圈子中关于哪个低级宏观系统更好的争论有时会变得非常激烈。还有其他关于宏的问题，例如如何使它们在模块系统中工作，其中库可以提供宏以及值和函数，或者是否将宏扩展时间和运行时分成单独的阶段等等。

希望这可以更全面地了解该问题，以便了解权衡并能够自己决定什么对您最有效。我也希望这能澄清一些常见问题的根源：卫生宏当然不是无用的，但由于新类型不仅仅是简单的 S 表达式，它们周围还有更多的功能——而且往往很肤浅——阅读旁观者会得出“太复杂”的结论。更糟糕的是，“在 Scheme 世界中，人们对元编程几乎一无所知”的精神火焰：非常痛苦地意识到增加的成本和期望的收益，Scheme 世界中的人们花费了更多数量级的集体努力就此主题而言。坚持下去是个不错的选择defmacro如果围绕 S 表达式的额外包装对于您的口味来说太复杂了，但是您应该意识到学习所涉及的成本与倾倒卫生所付出的代价（以及接受它所获得的代价）。

不幸的是，对于新手来说，任何风格的宏总体上都是一个相当困难的主题（也许不包括极其有限的syntax-rules），所以人们往往会发现自己处于这种火焰的中间，而没有足够的经验来了解你的左手和右手。最终，没有什么比在这两个世界中拥有良好的经验更能明确权衡取舍了。（这是来自非常具体的个人经验：如果 PLT Scheme N 年前没有切换到语法案例，我可能永远不会打扰它......一旦他们确实切换了，我花了很长时间来转换我的代码 - 并且直到那时我才意识到拥有一个健壮的系统是多么伟大，其中没有名称会被错误地“混淆”（这会导致奇怪的错误和混淆%%__names__）。）

（不过，很有可能会发生评论火焰......）

Answer 2

这是 Guile 的define-macro. 请注意，它完全通过以下方式实现syntax-case：

(define-syntax define-macro
  (lambda (x)
    "Define a defmacro."
    (syntax-case x ()
      ((_ (macro . args) doc body1 body ...)
       (string? (syntax->datum #'doc))
       #'(define-macro macro doc (lambda args body1 body ...)))
      ((_ (macro . args) body ...)
       #'(define-macro macro #f (lambda args body ...)))
      ((_ macro transformer)
       #'(define-macro macro #f transformer))
      ((_ macro doc transformer)
       (or (string? (syntax->datum #'doc))
           (not (syntax->datum #'doc)))
       #'(define-syntax macro
           (lambda (y)
             doc
             #((macro-type . defmacro)
               (defmacro-args args))
             (syntax-case y ()
               ((_ . args)
                (let ((v (syntax->datum #'args)))
                  (datum->syntax y (apply transformer v)))))))))))

Guile 对 Common Lisp 风格的文档字符串有特殊的支持，所以如果你的 Scheme 实现不使用文档字符串，你的define-macro实现可能会更简单：

(define-syntax define-macro
  (lambda (x)
    (syntax-case x ()
      ((_ (macro . args) body ...)
       #'(define-macro macro (lambda args body ...)))
      ((_ macro transformer)
       #'(define-syntax macro
           (lambda (y)
             (syntax-case y ()
               ((_ . args)
                (let ((v (syntax->datum #'args)))
                  (datum->syntax y (apply transformer v)))))))))))

Answer 3

这是define-macro我的Standard Prelude的实现，以及 Paul Graham 书中的示例：

(define-syntax (define-macro x)
  (syntax-case x ()
    ((_ (name . args) . body)
      (syntax (define-macro name (lambda args . body))))
    ((_ name transformer)
      (syntax
       (define-syntax (name y)
         (syntax-case y ()
           ((_ . args)
             (datum->syntax-object
               (syntax _)
               (apply transformer
                 (syntax-object->datum (syntax args)))))))))))

(define-macro (when test . body) `(cond (,test . ,body)))

(define-macro (aif test-form then-else-forms)
  `(let ((it ,test-form))
     (if it ,then-else-forms)))

(define-macro (awhen pred? . body)
  `(aif ,pred? (begin ,@body)))