90分钟实现一门编程语言——极简解释器教程

关键字

解释器, C#, Scheme, 函数式编程

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关于

本文介绍了如何使用C#实现一个简化但全功能的Scheme方言——iScheme及其解释器，通过从零开始逐步构建，展示了编程语言/解释器的工作原理。

作者

Lucida a.k.a Luc

如果你是通过移动设备阅读本教程，或者认为本文的代码字体太小的，请使用该链接以获得更好的可读性（博客园的markdown解析器实在诡异，这里就不多吐槽了）。

提示

如果你对下面的内容感兴趣：

  • 实现基本的词法分析，语法分析并生成抽象语法树。
  • 实现嵌套作用域和函数调用。
  • 解释器的基本原理。
  • 以及一些C#编程技巧。

那么请继续阅读。

如果你对以下内容感兴趣：

  • 高级的词法/语法分析技术。
  • 类型推导/分析。
  • 目标代码优化。

本文则过于初级，你可以跳过本文，但欢迎指出本文的错误 ????

代码样例

代码示例

 
 
    
  
  
  1. public static int Add(int a, int b) {  
    2. 
  
  
  2.     return a + b;  
    3. 
  
  
  3. }  
    4. 
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  5. >> Add(3, 4)  
    6. 
  
  
  6. >> 7  
    7. 
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  8. >> Add(5, 5)  
    9. 
  
  
  9. >> 10 
    10.

这段代码定义了Add函数，接下来的>>符号表示对Add(3, 4)进行求值，再下一行的>> 7表示上一行的求值结果，不同的求值用换行分开。可以把这里的>>理解成控制台提示符（即Terminal中的PS）。

什么是解释器

解释器（Interpreter）是一种程序，能够读入程序并直接输出结果，如上图。相对于编译器（Compiler），解释器并不会生成目标机器代码，而是直接运行源程序，简单来说：

 解释器是运行程序的程序。

计算器就是一个典型的解释器，我们把数学公式（源程序）给它，它通过运行它内部的"解释器"给我们答案。

iScheme编程语言

iScheme是什么？

  • Scheme语言的一个极简子集。
  • 虽然小，但变量，算术|比较|逻辑运算，列表，函数和递归这些编程语言元素一应俱全。
  • 非常非常慢——可以说它只是为演示本文的概念而存在。

OK，那么Scheme是什么？

  • 一种函数式程序设计语言。
  • 一种Lisp方言。
  • 麻省理工学院程序设计入门课程使用的语言（参见MIT 6.001和《计算机程序的构造与解释》）。

  • 使用波兰表达式（Polish Notation）。
  • 更多的介绍参见Scheme编程语言。

以计算阶乘为例：

C#版阶乘

 
 
    
  
  
  1. public static int Factorial(int n) {  
    2. 
  
  
  2.     if (n == 1) {  
    3. 
  
  
  3.         return 1;  
    4. 
  
  
  4.     } else {  
    5. 
  
  
  5.         return n * Factorial(n - 1);  
    6. 
  
  
  6.     }  
    7. 
  
  
  7. } 
    8.

iScheme版阶乘

 
 
    
  
  
  1. (def factorial (lambda (n) (  
    2. 
  
  
  2.     if (= n 1)  
    3. 
  
  
  3.        1  
    4. 
  
  
  4.        (* n (factorial (- n 1)))))) 
    5.

数值类型

由于iScheme只是一个用于演示的语言，所以目前只提供对整数的支持。iScheme使用C#的Int64类型作为其内部的数值表示方法。

定义变量

iScheme使用def关键字定义变量

 
 
    
  
  
  1. >> (def a 3)  
    2. 
  
  
  2. >> 3  
    3. 
  
  
  3.  
    4. 
  
  
  4. >> a  
    5. 
  
  
  5. >> 3 
    6.

算术|逻辑|比较操作

与常见的编程语言（C#, Java, C++, C）不同，Scheme使用波兰表达式，即前缀表示法。例如：

C#中的算术|逻辑|比较操作

 
 
    
  
  
  1. // Arithmetic ops  
    2. 
  
  
  2. a + b * c  
    3. 
  
  
  3. a / (b + c + d)  
    4. 
  
  
  4. // Logical ops  
    5. 
  
  
  5. (cond1 && cond2) || cond3  
    6. 
  
  
  6. // Comparing ops  
    7. 
  
  
  7. a == b  
    8. 
  
  
  8. 1 < a && a < 3 
    9.

对应的iScheme代码

 
 
    
  
  
  1. ; Arithmetic ops  
    2. 
  
  
  2. (+ a (* b c))  
    3. 
  
  
  3. (/ a (+ b c d))  
    4. 
  
  
  4. ; Logical ops  
    5. 
  
  
  5. (or (and cond1 cond2) cond3)  
    6. 
  
  
  6. ; Comparing ops  
    7. 
  
  
  7. (= a b)  
    8. 
  
  
  8. (< 1 a 3) 
    9.

需要注意的几点：

  1. iScheme中的操作符可以接受不止两个参数——这在一定程度上控制了括号的数量。
  2. iScheme逻辑操作使用and, or和not代替了常见的&&, ||和!——这在一定程度上增强了程序的可读性。

顺序语句

iScheme使用begin关键字标识顺序语句，并以最后一条语句的值作为返回结果。以求两个数的平均值为例：

C#的顺序语句

 
 
    
  
  
  1. int a = 3;  
    2. 
  
  
  2. int b = 5;  
    3. 
  
  
  3. int c = (a + b) / 2; 
    4.

iScheme的顺序语句

 
 
    
  
  
  1. (def c (begin  
    2. 
  
  
  2.     (def a 3)  
    3. 
  
  
  3.     (def b 5)  
    4. 
  
  
  4.     (/ (+ a b) 2))) 
    5.

控制流操作

iScheme中的控制流操作只包含if。

if语句示例

 
 
    
  
  
  1. >> (define a (if (> 3 2) 1 2))  
    2. 
  
  
  2. >> 1  
    3. 
  
  
  3.  
    4. 
  
  
  4. >> a  
    5. 
  
  
  5. >> 1 
    6.

列表类型

iScheme使用list关键字定义列表，并提供first关键字获取列表的第一个元素；提供rest关键字获取列表除第一个元素外的元素。

iScheme的列表示例

 
 
    
  
  
  1. >> (define alist (list 1 2 3 4))  
    2. 
  
  
  2. >> (list 1 2 3 4)  
    3. 
  
  
  3.  
    4. 
  
  
  4. >> (first alist)  
    5. 
  
  
  5. >> 1  
    6. 
  
  
  6.  
    7. 
  
  
  7. >> (rest alist)  
    8. 
  
  
  8. >> (2 3 4) 
    9.

定义函数

iScheme使用func关键字定义函数：

iScheme的函数定义

 
 
    
  
  
  1. (def square (func (x) (* x x)))  
    2. 
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  3. (def sum_square (func (a b) (+ (square a) (square b)))) 
    4.

对应的C#代码

 
 
    
  
  
  1. public static int Square (int x) {  
    2. 
  
  
  2.     return x * x;  
    3. 
  
  
  3. }  
    4. 
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  5. public static int SumSquare(int a, int b) {  
    6. 
  
  
  6.     return Square(a) + Square(b);  
    7. 
  
  
  7. } 
    8.

递归

由于iScheme中没有for或while这种命令式语言（Imperative Programming Language）的循环结构，递归成了重复操作的唯一选择。

以计算最大公约数为例：

iScheme计算最大公约数

 
 
    
  
  
  1. (def gcd (func (a b)  
    2. 
  
  
  2.     (if (= b 0)  
    3. 
  
  
  3.         a  
    4. 
  
  
  4.         (func (b (% a b)))))) 
    5.

对应的C#代码

 
 
    
  
  
  1. public static int GCD (int a, int b) {  
    2. 
  
  
  2.     if (b == 0) {  
    3. 
  
  
  3.         return a;  
    4. 
  
  
  4.     } else {  
    5. 
  
  
  5.         return GCD(b, a % b);  
    6. 
  
  
  6.     }  
    7. 
  
  
  7. } 
    8.

#p#

高阶函数

和Scheme一样，函数在iScheme中是头等对象，这意味着：

  • 可以定义一个变量为函数。
  • 函数可以接受一个函数作为参数。
  • 函数返回一个函数。

iScheme的高阶函数示例

 
 
    
  
  
  1. ; Defines a multiply function.  
    2. 
  
  
  2. (def mul (func (a b) (* a b)))  
    3. 
  
  
  3. ; Defines a list map function.  
    4. 
  
  
  4. (def map (func (f alist)  
    5. 
  
  
  5.     (if (empty? alist)  
    6. 
  
  
  6.         (list )  
    7. 
  
  
  7.         (append (list (f (first alist))) (map f (rest alist)))  
    8. 
  
  
  8.         )))  
    9. 
  
  
  9. ; Doubles a list using map and mul.  
    10. 
  
  
  10. >> (map (mul 2) (list 1 2 3))  
    11. 
  
  
  11. >> (list 2 4 6) 
    12.

小结

对iScheme的介绍就到这里——事实上这就是iScheme的所有元素，会不会太简单了？ -_-

接下来进入正题——从头开始构造iScheme的解释程序。

解释器构造

iScheme解释器主要分为两部分，解析（Parse）和求值（Evaluation）：

  • 解析（Parse）：解析源程序，并生成解释器可以理解的中间（Intermediate）结构。这部分包含词法分析，语法分析，语义分析，生成语法树。
  • 求值（Evaluation）：执行解析阶段得到的中介结构然后得到运行结果。这部分包含作用域，类型系统设计和语法树遍历。

词法分析

词法分析负责把源程序解析成一个个词法单元（Lex），以便之后的处理。

iScheme的词法分析极其简单——由于iScheme的词法元素只包含括号，空白，数字和变量名，因此C#自带的String#Split就足够。

iScheme的词法分析及测试

 
 
    
  
  
  1. public static String[] Tokenize(String text) {  
    2. 
  
  
  2.     String[] tokens = text.Replace("(", " ( ").Replace(")", " ) ").Split(" \t\r\n".ToArray(), StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries);  
    3. 
  
  
  3.     return tokens;  
    4. 
  
  
  4. }  
    5. 
  
  
  5.  
    6. 
  
  
  6. // Extends String.Join for a smooth API.  
    7. 
  
  
  7. public static String Join(this String separator, IEnumerable values) {  
  
  
  8.     return String.Join(separator, values);  
    9. 
  
  
  9. }  
    10. 
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  11. // Displays the lexes in a readable form.  
    12. 
  
  
  12. public static String PrettyPrint(String[] lexes) {  
    13. 
  
  
  13.     return "[" + ", ".Join(lexes.Select(s => "'" + s + "'") + "]";  
    14. 
  
  
  14. }  
    15. 
  
  
  15.  
    16. 
  
  
  16. // Some tests  
    17. 
  
  
  17. >> PrettyPrint(Tokenize("a"))  
    18. 
  
  
  18. >> ['a']  
    19. 
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  20. >> PrettyPrint(Tokenize("(def a 3)"))  
    21. 
  
  
  21. >> ['(', 'def', 'a', '3', ')']  
    22. 
  
  
  22.  
    23. 
  
  
  23. >> PrettyPrint(Tokenize("(begin (def a 3) (* a a))"))  
    24. 
  
  
  24. >> ['begin', '(', 'def', 'a', '3', ')', '(', '*', 'a', 'a', ')', ')'] 
    25. 
 
 

    注意
    

      

    • 个人不喜欢String.Join这个静态方法，所以这里使用C#的扩展方法（Extension Methods）对String类型做了一个扩展。
      • 

    • 相对于LINQ Syntax，我个人更喜欢LINQ Extension Methods，接下来的代码也都会是这种风格。
      • 

    • 不要以为词法分析都是这么离谱般简单！vczh的词法分析教程给出了一个完整编程语言的词法分析教程。
    语法树生成
    

    得到了词素之后，接下来就是进行语法分析。不过由于Lisp类语言的程序即是语法树，所以语法分析可以直接跳过。
    以下面的程序为例：
    程序即语法树
     
 
      
  
  
    1. ;  
      2. 
  
  
    2. (def x (if (> a 1) a 1))  
      3. 
  
  
    3. ; 换一个角度看的话：  
      4. 
  
  
    4. (  
      5. 
  
  
    5.     def  
      6. 
  
  
    6.     x  
      7. 
  
  
    7.     (  
      8. 
  
  
    8.         if 
      9. 
  
  
    9.         (  
      10. 
  
  
    10.             >  
      11. 
  
  
    11.             a  
      12. 
  
  
    12.             1  
      13. 
  
  
    13.         )  
      14. 
  
  
    14.         a  
      15. 
  
  
    15.         1  
      16. 
  
  
    16.     )  
      17. 
  
  
    17. ) 
      18. 
 
 
    更加直观的图片：
    这使得抽象语法树（Abstract Syntax Tree）的构建变得极其简单（无需考虑操作符优先级等问题），我们使用SExpression类型定义iScheme的语法树（事实上S Expression也是Lisp表达式的名字）。
    抽象语法树的定义
     
 
      
  
  
    1. public class SExpression {  
      2. 
  
  
    2.     public String Value { get; private set; }  
      3. 
  
  
    3.     public List Children { get; private set; }  
      4. 
  
  
    4.     public SExpression Parent { get; private set; }  
      5. 
  
  
    5.  
      6. 
  
  
    6.     public SExpression(String value, SExpression parent) {  
      7. 
  
  
    7.         this.Value = value;  
      8. 
  
  
    8.         this.Children = new List();  
      9. 
  
  
    9.         this.Parent = parent;  
      10. 
  
  
    10.     }  
      11. 
  
  
    11.  
      12. 
  
  
    12.     public override String ToString() {  
      13. 
  
  
    13.         if (this.Value == "(") {  
      14. 
  
  
    14.             return "(" + " ".Join(Children) + ")";  
      15. 
  
  
    15.         } else {  
      16. 
  
  
    16.             return this.Value;  
      17. 
  
  
    17.         }  
      18. 
  
  
    18.     }  
      19. 
  
  
    19. } 
      20. 
 
 
    然后用下面的步骤构建语法树：
      

    1. 碰到左括号，创建一个新的节点到当前节点（current），然后重设当前节点。
      2. 

    2. 碰到右括号，回退到当前节点的父节点。
      3. 

    3. 否则把为当前词素创建节点，添加到当前节点中。
      4. 

    

    抽象语法树的构建过程
     
 
      
  
  
    1. public static SExpression ParseAsIScheme(this String code) {  
      2. 
  
  
    2.     SExpression program = new SExpression(value: "", parent: null);  
      3. 
  
  
    3.     SExpression current = program;  
      4. 
  
  
    4.     foreach (var lex in Tokenize(code)) {  
      5. 
  
  
    5.         if (lex == "(") {  
      6. 
  
  
    6.             SExpression newNode = new SExpression(value: "(", parent: current);  
      7. 
  
  
    7.             current.Children.Add(newNode);  
      8. 
  
  
    8.             current = newNode;  
      9. 
  
  
    9.         } else if (lex == ")") {  
      10. 
  
  
    10.             current = current.Parent;  
      11. 
  
  
    11.         } else {  
      12. 
  
  
    12.             current.Children.Add(new SExpression(value: lex, parent: current));  
      13. 
  
  
    13.         }  
      14. 
  
  
    14.     }  
      15. 
  
  
    15.     return program.Children[0];  
      16. 
  
  
    16. } 
      17. 
 
 
    

    注意
    

      

    • 使用自动属性（Auto Property），从而避免重复编写样版代码（Boilerplate Code）。
      • 

    • 使用命名参数（Named Parameters）提高代码可读性：new SExpression(value: "", parent: null)比new SExpression("", null)可读。
      • 

    • 使用扩展方法提高代码流畅性：code.Tokenize().ParseAsIScheme比ParseAsIScheme(Tokenize(code))流畅。
      • 

    • 大多数编程语言的语法分析不会这么简单！如果打算实现一个类似C#的编程语言，你需要更强大的语法分析技术：

        

      • 如果打算手写语法分析器，可以参考LL(k), Precedence Climbing和Top Down Operator Precedence。
        • 

      • 如果打算生成语法分析器，可以参考ANTLR或Bison。
        • 

      

    作用域
    

    作用域决定程序的运行环境。iScheme使用嵌套作用域。
    以下面的程序为例
     
 
      
  
  
    1. >> (def x 1)  
      2. 
  
  
    2. >> 1  
      3. 
  
  
    3.  
      4. 
  
  
    4. >> (def y (begin (def x 2) (* x x)))  
      5. 
  
  
    5. >> 4  
      6. 
  
  
    6.  
      7. 
  
  
    7. >> x  
      8. 
  
  
    8. >> 1 
      9. 
 
 
    利用C#提供的Dictionary类型，我们可以很容易的实现iScheme的作用域SScope：
    iScheme的作用域实现
     
 
      
  
  
    1. public class SScope {  
      2. 
  
  
    2.     public SScope Parent { get; private set; }  
      3. 
  
  
    3.     private Dictionary variableTable;  
      4. 
  
  
    4.  
      5. 
  
  
    5.     public SScope(SScope parent) {  
      6. 
  
  
    6.         this.Parent = parent;  
      7. 
  
  
    7.         this.variableTable = new Dictionary();  
      8. 
  
  
    8.     }  
      9. 
  
  
    9.  
      10. 
  
  
    10.     public SObject Find(String name) {  
      11. 
  
  
    11.         SScope current = this;  
      12. 
  
  
    12.         while (current != null) {  
      13. 
  
  
    13.             if (current.variableTable.ContainsKey(name)) {  
      14. 
  
  
    14.                 return current.variableTable[name];  
      15. 
  
  
    15.             }  
      16. 
  
  
    16.             current = current.Parent;  
      17. 
  
  
    17.         }  
      18. 
  
  
    18.         throw new Exception(name + " is not defined.");  
      19. 
  
  
    19.     }  
      20. 
  
  
    20.  
      21. 
  
  
    21.     public SObject Define(String name, SObject value) {  
      22. 
  
  
    22.         this.variableTable.Add(name, value);  
      23. 
  
  
    23.         return value;  
      24. 
  
  
    24.     }  
      25. 
  
  
    25. } 
      26. 
 
 
    

    类型实现
    

    iScheme的类型系统极其简单——只有数值，Bool，列表和函数，考虑到他们都是iScheme里面的值对象（Value Object），为了便于对它们进行统一处理，这里为它们设置一个统一的父类型SObject：
     
 
      
  
  
    1. public class SObject { } 
      2. 
 
 
    

    数值类型
    

    iScheme的数值类型只是对.Net中Int64（即C#里的long）的简单封装：
     
 
      
  
  
    1. public class SNumber : SObject {  
      2. 
  
  
    2.     private readonly Int64 value;  
      3. 
  
  
    3.     public SNumber(Int64 value) {  
      4. 
  
  
    4.         this.value = value;  
      5. 
  
  
    5.     }  
      6. 
  
  
    6.     public override String ToString() {  
      7. 
  
  
    7.         return this.value.ToString();  
      8. 
  
  
    8.     }  
      9. 
  
  
    9.     public static implicit operator Int64(SNumber number) {  
      10. 
  
  
    10.         return number.value;  
      11. 
  
  
    11.     }  
      12. 
  
  
    12.     public static implicit operator SNumber(Int64 value) {  
      13. 
  
  
    13.         return new SNumber(value);  
      14. 
  
  
    14.     }  
      15. 
  
  
    15. } 
      16. 
 
 
    注意这里使用了C#的隐式操作符重载，这使得我们可以：
     
 
      
  
  
    1. SNumber foo = 30;  
      2. 
  
  
    2. SNumber bar = 40;  
      3. 
  
  
    3. SNumber foobar = foo * bar; 
      4. 
 
 
    而不必：
     
 
      
  
  
    1. SNumber foo = new SNumber(value: 30);  
      2. 
  
  
    2. SNumber bar = new SNumber(value: 40);  
      3. 
  
  
    3. SNumber foobar = new SNumber(value: foo.Value * bar.Value); 
      4. 
 
 
    为了方便，这里也为SObject增加了隐式操作符重载（尽管Int64可以被转换为SNumber且SNumber继承自SObject，但.Net无法直接把Int64转化为SObject）：
     
 
      
  
  
    1. public class SObject {  
      2. 
  
  
    2.     ...  
      3. 
  
  
    3.     public static implicit operator SObject(Int64 value) {  
      4. 
  
  
    4.         return (SNumber)value;  
      5. 
  
  
    5.     }  
      6. 
  
  
    6. } 
      7. 
 
 
    

    Bool类型
    

    由于Bool类型只有True和False，所以使用静态对象就足矣。
     
 
      
  
  
    1. public class SBool : SObject {  
      2. 
  
  
    2.     public static readonly SBool False = new SBool();  
      3. 
  
  
    3.     public static readonly SBool True = new SBool();  
      4. 
  
  
    4.     public override String ToString() {  
      5. 
  
  
    5.         return ((Boolean)this).ToString();  
      6. 
  
  
    6.     }  
      7. 
  
  
    7.     public static implicit operator Boolean(SBool value) {  
      8. 
  
  
    8.         return value == SBool.True;  
      9. 
  
  
    9.     }  
      10. 
  
  
    10.     public static implicit operator SBool(Boolean value) {  
      11. 
  
  
    11.         return value ? True : False;  
      12. 
  
  
    12.     }  
      13. 
  
  
    13. } 
      14. 
 
 
    这里同样使用了C#的隐式操作符重载，这使得我们可以：
     
 
      
  
  
    1. SBool foo = a > 1;  
      2. 
  
  
    2. if (foo) {  
      3. 
  
  
    3.     // Do something...  
      4. 
  
  
    4. } 
      5. 
 
 
    而不用
     
 
      
  
  
    1. SBool foo = a > 1 ? SBool.True: SBool.False;  
      2. 
  
  
    2. if (foo == SBool.True) {  
      3. 
  
  
    3.     // Do something...  
      4. 
  
  
    4. } 
      5. 
 
 
    同样，为SObject增加隐式操作符重载：
     
 
      
  
  
    1. public class SObject {  
      2. 
  
  
    2.     ...  
      3. 
  
  
    3.     public static implicit operator SObject(Boolean value) {  
      4. 
  
  
    4.         return (SBool)value;  
      5. 
  
  
    5.     }  
      6. 
  
  
    6. } 
      7. 
 
 
    #p#
    列表类型
    

    iScheme使用.Net中的IEnumberable实现列表类型SList：
     
 
      
  
  
    1. public class SList : SObject, IEnumerable {  
      2. 
  
  
    2.     private readonly IEnumerable values;  
      3. 
  
  
    3.     public SList(IEnumerable values) {  
      4. 
  
  
    4.         this.values = values;  
      5. 
  
  
    5.     }  
      6. 
  
  
    6.     public override String ToString() {  
      7. 
  
  
    7.         return "(list " + " ".Join(this.values) + ")";  
      8. 
  
  
    8.     }  
      9. 
  
  
    9.     public IEnumerator GetEnumerator() {  
      10. 
  
  
    10.         return this.values.GetEnumerator();  
      11. 
  
  
    11.     }  
      12. 
  
  
    12.     IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() {  
      13. 
  
  
    13.         return this.values.GetEnumerator();  
      14. 
  
  
    14.     }  
      15. 
  
  
    15. } 
      16. 
 
 
    实现IEnumerable后，就可以直接使用LINQ的一系列扩展方法，十分方便。
    函数类型
    

    iScheme的函数类型（SFunction）由三部分组成：
      

    • 函数体：即对应的SExpression。
      • 

    • 参数列表。
      • 

    • 作用域：函数拥有自己的作用域
      • 

    

    SFunction的实现
     
 
      
  
  
    1. public class SFunction : SObject {  
      2. 
  
  
    2.     public SExpression Body { get; private set; }  
      3. 
  
  
    3.     public String[] Parameters { get; private set; }  
      4. 
  
  
    4.     public SScope Scope { get; private set; }  
      5. 
  
  
    5.     public Boolean IsPartial {  
      6. 
  
  
    6.         get {  
      7. 
  
  
    7.             return this.ComputeFilledParameters().Length.InBetween(1, this.Parameters.Length);  
      8. 
  
  
    8.         }  
      9. 
  
  
    9.     }  
      10. 
  
  
    10.  
      11. 
  
  
    11.     public SFunction(SExpression body, String[] parameters, SScope scope) {  
      12. 
  
  
    12.         this.Body = body;  
      13. 
  
  
    13.         this.Parameters = parameters;  
      14. 
  
  
    14.         this.Scope = scope;  
      15. 
  
  
    15.     }  
      16. 
  
  
    16.  
      17. 
  
  
    17.     public SObject Evaluate() {  
      18. 
  
  
    18.         String[] filledParameters = this.ComputeFilledParameters();  
      19. 
  
  
    19.         if (filledParameters.Length < Parameters.Length) {  
      20. 
  
  
    20.             return this;  
      21. 
  
  
    21.         } else {  
      22. 
  
  
    22.             return this.Body.Evaluate(this.Scope);  
      23. 
  
  
    23.         }  
      24. 
  
  
    24.     }  
      25. 
  
  
    25.  
      26. 
  
  
    26.     public override String ToString() {  
      27. 
  
  
    27.         return String.Format("(func ({0}) {1})",  
      28. 
  
  
    28.             " ".Join(this.Parameters.Select(p => {  
      29. 
  
  
    29.                 SObject value = null;  
      30. 
  
  
    30.                 if ((value = this.Scope.FindInTop(p)) != null) {  
      31. 
  
  
    31.                     return p + ":" + value;  
      32. 
  
  
    32.                 }  
      33. 
  
  
    33.                 return p;  
      34. 
  
  
    34.             })), this.Body);  
      35. 
  
  
    35.     }  
      36. 
  
  
    36.  
      37. 
  
  
    37.     private String[] ComputeFilledParameters() {  
      38. 
  
  
    38.         return this.Parameters.Where(p => Scope.FindInTop(p) != null).ToArray();  
      39. 
  
  
    39.     }  
      40. 
  
  
    40. } 
      41. 
 
 
    

    需要注意的几点
    

      

    • iScheme支持部分求值（Partial Evaluation），这意味着：
      • 

    

    部分求值
     
 
      
  
  
    1. >> (def mul (func (a b) (* a b)))  
      2. 
  
  
    2. >> (func (a b) (* a b))  
      3. 
  
  
    3.  
      4. 
  
  
    4. >> (mul 3 4)  
      5. 
  
  
    5. >> 12  
      6. 
  
  
    6.  
      7. 
  
  
    7. >> (mul 3)  
      8. 
  
  
    8. >> (func (a:3 b) (* a b))  
      9. 
  
  
    9.  
      10. 
  
  
    10. >> ((mul 3) 4)  
      11. 
  
  
    11. >> 12 
      12. 
 
 
    也就是说，当SFunction的实际参数（Argument）数量小于其形式参数（Parameter）的数量时，它依然是一个函数，无法被求值。
    这个功能有什么用呢？生成高阶函数。有了部分求值，我们就可以使用
     
 
      
  
  
    1. (def mul (func (a b) (* a b)))  
      2. 
  
  
    2. (def mul3 (mul 3))  
      3. 
  
  
    3.  
      4. 
  
  
    4. >> (mul3 3)  
      5. 
  
  
    5. >> 9 
      6. 
 
 
    而不用专门定义一个生成函数：
     
 
      
  
  
    1. (def times (func (n) (func (n x) (* n x)) ) )  
      2. 
  
  
    2. (def mul3 (times 3))  
      3. 
  
  
    3.  
      4. 
  
  
    4. >> (mul3 3)  
      5. 
  
  
    5. >> 9 
      6. 
 
 
    

      

    • SFunction#ToString可以将其自身还原为源代码——从而大大简化了iScheme的理解和测试。
    内置操作
    

    iScheme的内置操作有四种：算术|逻辑|比较|列表操作。
    我选择了表达力（Expressiveness）强的lambda方法表来定义内置操作：
    首先在SScope中添加静态字段builtinFunctions，以及对应的访问属性BuiltinFunctions和操作方法BuildIn。
     
 
      
  
  
    1. public class SScope {  
      2. 
  
  
    2.     private static Dictionary> builtinFunctions =  
      3. 
  
  
    3.         new Dictionary>();  
      4. 
  
  
    4.     public static Dictionary> BuiltinFunctions {  
      5. 
  
  
    5.         get { return builtinFunctions; }  
      6. 
  
  
    6.     }  
      7. 
  
  
    7.     // Dirty HACK for fluent API.  
      8. 
  
  
    8.     public SScope BuildIn(String name, Func builtinFuntion) {  
      9. 
  
  
    9.         SScope.builtinFunctions.Add(name, builtinFuntion);  
      10. 
  
  
    10.         return this;  
      11. 
  
  
    11.     }  
      12. 
  
  
    12. } 
      13. 
 
 
    注意：
      

    1. Func是C#提供的委托类型，表示一个接受T1和T2，返回TRESULT
      2. 

    2. 这里有一个小HACK，使用实例方法（Instance Method）修改静态成员（Static Member），从而实现一套流畅的API（参见Fluent Interface）。
      3. 

    

    接下来就可以这样定义内置操作：
     
 
      
  
  
    1. new SScope(parent: null)  
      2. 
  
  
    2.     .BuildIn("+", addMethod)  
      3. 
  
  
    3.     .BuildIn("-", subMethod)  
      4. 
  
  
    4.     .BuildIn("*", mulMethod)  
      5. 
  
  
    5.     .BuildIn("/", divMethod); 
      6. 
 
 
    一目了然。
    断言（Assertion）扩展
    

    为了便于进行断言，我对Boolean类型做了一点点扩展。
     
 
      
  
  
    1. public static void OrThrows(this Boolean condition, String message = null) {  
      2. 
  
  
    2.     if (!condition) { throw new Exception(message ?? "WTF"); }  
      3. 
  
  
    3. } 
      4. 
 
 
    从而可以写出流畅的断言：
     
 
      
  
  
    1. (a < 3).OrThrows("Value must be less than 3."); 
      2. 
 
 
    而不用
     
 
      
  
  
    1. if (a < 3) {  
      2. 
  
  
    2.         throw new Exception("Value must be less than 3.");  
      3. 
  
  
    3. } 
      4. 
 
 
    

    算术操作
    

    iScheme算术操作包含+ - * / %五个操作，它们仅应用于数值类型（也就是SNumber）。
    从加减法开始：
     
 
      
  
  
    1. .BuildIn("+", (args, scope) => {  
      2. 
  
  
    2.     var numbers = args.Select(obj => obj.Evaluate(scope)).Cast();  
      3. 
  
  
    3.     return numbers.Sum(n => n);  
      4. 
  
  
    4. })  
      5. 
  
  
    5. .BuildIn("-", (args, scope) => {  
      6. 
  
  
    6.     var numbers = args.Select(obj => obj.Evaluate(scope)).Cast().ToArray();  
      7. 
  
  
    7.     Int64 firstValue = numbers[0];  
      8. 
  
  
    8.     if (numbers.Length == 1) {  
      9. 
  
  
    9.         return -firstValue;  
      10. 
  
  
    10.     }  
      11. 
  
  
    11.     return firstValue - numbers.Skip(1).Sum(s => s);  
      12. 
  
  
    12. }) 
      13. 
 
 
    注意到这里有一段重复逻辑负责转型求值（Cast then Evaluation），考虑到接下来还有不少地方要用这个逻辑，我把这段逻辑抽象成扩展方法：
     
 
      
  
  
    1. public static IEnumerable Evaluate(this IEnumerable expressions, SScope scope)  
      2. 
  
  
    2. where T : SObject {  
      3. 
  
  
    3.     return expressions.Evaluate(scope).Cast();  
      4. 
  
  
    4. }  
      5. 
  
  
    5. public static IEnumerable Evaluate(this IEnumerable expressions, SScope scope) {  
      6. 
  
  
    6.     return expressions.Select(exp => exp.Evaluate(scope));  
      7. 
  
  
    7. } 
      8. 
 
 
    然后加减法就可以如此定义：
     
 
      
  
  
    1. .BuildIn("+", (args, scope) => (args.Evaluate(scope).Sum(s => s)))  
      2. 
  
  
    2. .BuildIn("-", (args, scope) => {  
      3. 
  
  
    3.     var numbers = args.Evaluate(scope).ToArray();  
      4. 
  
  
    4.     Int64 firstValue = numbers[0];  
      5. 
  
  
    5.     if (numbers.Length == 1) {  
      6. 
  
  
    6.         return -firstValue;  
      7. 
  
  
    7.     }  
      8. 
  
  
    8.     return firstValue - numbers.Skip(1).Sum(s => s);  
      9. 
  
  
    9. }) 
      10. 
 
 
    乘法，除法和求模定义如下：
     
 
      
  
  
    1. .BuildIn("*", (args, scope) => args.Evaluate(scope).Aggregate((a, b) => a * b))  
      2. 
  
  
    2. .BuildIn("/", (args, scope) => {  
      3. 
  
  
    3.     var numbers = args.Evaluate(scope).ToArray();  
      4. 
  
  
    4.     Int64 firstValue = numbers[0];  
      5. 
  
  
    5.     return firstValue / numbers.Skip(1).Aggregate((a, b) => a * b);  
      6. 
  
  
    6. })  
      7. 
  
  
    7. .BuildIn("%", (args, scope) => {  
      8. 
  
  
    8.     (args.Length == 2).OrThrows("Parameters count in mod should be 2");  
      9. 
  
  
    9.     var numbers = args.Evaluate(scope).ToArray();  
      10. 
  
  
    10.     return numbers[0] % numbers[1];  
      11. 
  
  
    11. }) 
      12. 
 
 
    

    逻辑操作
    

    iScheme逻辑操作包括            
    
                本文题目：90分钟实现一门编程语言——极简解释器教程
                
    
                文章分享：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news11/517311.html
            
    
            
    
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