同像性
在计算机编程中，同像性（homoiconicity來自希臘語單詞，homo-意為相同，icon含義表像），是某些编程语言的特殊屬性，这意味着用此语言书写的程序，可用使用这个语言将其作为数据来操纵，因此只要阅读程序自身，就能推论出来这个程序的内部表示。该属性经常被归结成，这个語言将“代碼當作数据”。
簡介
[编辑]在同像性編程語言中，程序的主要表示方式，也是属于这个語言自身的原始類型的一种資料結構。這使得在这种语言中的元編程，比在没有这个属性的语言中要更加容易：在这种語言中的反射（在運行時檢查程序的實體），取決於單一的、同質的結構，而且它不必去處理以複雜語法形式出现的其它一些結構。同像性语言典型的包括对语法宏的完全支持，这允许编程者以简明方式来表达程序变换。
Lisp編程语言，是具有同像属性的典型範例，它設計得易于進行列表操纵，而且其結構用具有嵌套列表形式的S-表达式来给出，它可以由其他LISP代码来操纵[1]。這類語言的其他例子有Clojure（一种現代流行的LISP方言），Rebol和Refal，以及最近的Julia等編程語言。
歷史
[编辑]同像性一詞的原始來源，是論文《編譯器語言的巨集指令擴展》[2]。其依據是早期具影響力的論文《TRAC文本處理語言》[3]：
TRAC的主要設計目標之一，是其輸入腳本（用戶所輸入），應該同一於指示TRAC處理器內部動作的文本。換句話說，TRAC过程應該是以字串形式儲存於記憶體中，正如同用戶在鍵盤上鍵入的那樣。如果TRAC过程本身演化出新的过程，这些新过程也應該在同一個腳本中陳述出来。TRAC處理器在其动作中，將此腳本解释為它的程序。換句話說，TRAC翻译器程序（處理器），將这个計算機有成效地轉換為，具有新程序語言即TRAC語言的新計算機。在任何時候，程序或過程資訊都应当能够，以同於TRAC處理器在執行期間作用于其上的形式来显示出来。我們期望內部的字符代碼表示，同一于或非常相似于，外部的代碼表示。在当前的TRAC實作中，內部字符表示基於ASCII，因為TRAC过程和文本，在處理器內部和外部，都具有相同的表示，所以術語同像性（homoiconic）一詞是適用的，homo涵義相同，icon義為表像。
[...]
跟从沃伦·麦卡洛克的提議，依據查尔斯·桑德斯·皮尔士的術語，參見道格拉斯·麥克羅伊的“編譯器語言的巨集指令擴展”，ACM通訊，頁214-220; 1960年4月。
艾倫·凱在他1969年的博士論文中，使用並可能由此推廣了同像性這個術語[4]：
所有先前的系統中，顯著的一組例外是Interactive LISP[...]和TRAC。兩者都是面向功能性的（一為列表，另一為字符串），都用一種語言與用戶交談，並且都具有 “同像性”，因為它們內部和外部表示本質上相同。它們都具有動態創建新函數的能力，然後可隨著用戶的喜好而精工细作。它們唯一最大的缺點是，以它們寫出的程序看起來就像，蘇美爾人把布尔那·布里亚什國王的信寫成巴比倫楔形文！[...]
用途及優點
[编辑]同像性的一個優點是，向這個語言擴展新概念變得更加簡單，因為表示代碼的資料，可在程序的元層和基础層之間傳遞。函數的抽象語法樹，可以作為元層中的資料結構來合成和操纵，然後再被求值。它可以更容易理解如何操纵代碼，因為它可以被理解為簡單的資料（因为語言本身的格式同于資料格式）。
同像性的典型演示是元循環求值器。
實作方法
[编辑]所有范紐曼型架構的系統，其中包括絕大多數當今的通用計算機，由於原始機器代碼在記憶體中的執行方式，其資料類型是位元組，故而可以隱含地描述為具有同像性。但是這個特征也可以在編程語言層別上抽象出來。
Lisp及其方言例如Scheme，Clojure，Racket等，使用S-表達式來實現同像性。
其他被认为具有同像性的语言包括：
同像性語言的編程範例
[编辑]Lisp
[编辑]Lisp使用S-表達式作為資料和源碼的外部表示。S-表達式可以用原始Lisp函數READ讀取。READ返回Lisp資料：列表、符號、數字和字串。原始Lisp函數EVAL使用以資料形式表示的Lisp代码，計算副作用並得出返回結果。結果由原始Lisp函數PRINT打印出來，它從Lisp資料產生一個外部的S-表達式。下面示例采用Common Lisp的SBCL实现。
以下Lisp示例，构造出的列表含有结构类型person：它有两个属性name和age，其类型分别是字符串和整数：
* (defstruct person name age)
PERSON
* (person-name (cadr (list (make-person :name "john" :age 20) (make-person :name "mary" :age 18) (make-person :name "alice" :age 22))))
"mary"
以下Lisp代码示例，使用了列表、符號和数值：
* (* (sin 1.1) (cos 2.03)) ; 中綴表示法為 sin(1.1)*cos(2.03)
-0.39501375
使用原始Lisp函數LIST產生上面的表達式，並將變量EXPRESSION設置為結果：
* (defvar expression)
EXPRESSION
* (setf expression (list '* (list 'sin 1.1) (list 'cos 2.03)) )
(* (SIN 1.1) (COS 2.03))
; Lisp傳回並打印結果
* (third expression) ; 表達式中的第三項
(COS 2.03)
將COS這項變更為SIN：
* (setf (first (third expression)) 'SIN)
SIN
; 變更之後的表達式為 (* (SIN 1.1) (SIN 2.03)).
求值表達式：
* (eval expression)
0.79888344
將表達式打印到字串：
* (princ-to-string expression)
"(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))"
從字串中讀取表達式：
* (read-from-string "(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))")
(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))
24
; 傳回一個其中有列表，數字和符號的列表
Prolog
[编辑]1 ?- X is 2*5.
X = 10.
2 ?- L = (X is 2*5), write_canonical(L).
is(_, *(2, 5))
L = (X is 2*5).
3 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), write_canonical(L).
:-(ten(A), is(A, *(2, 5)))
L = (ten(X):-X is 2*5).
4 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), assert(L).
L = (ten(X):-X is 2*5).
5 ?- ten(X).
X = 10.
6 ?-
在第4行建立一个新子句。算符:-分隔一个子句的头部和主体。通过assert/1将它增加到现存的子句中，即增加它到“数据库”，这样我们可以以后调用它。在其他语言中可以称为“在运行时间建立一个函数”。还可以使用abolish/1或retract/1从数据库中移除子句。注意在子句名字后的数，是它可以接受的实际参数的数目，它也叫做元数。
我们可以查询数据库来得到一个子句的主体：
7 ?- clause(ten(X),Y).
Y = (X is 2*5).
8 ?- clause(ten(X),Y), Y = (X is Z).
Y = (X is 2*5),
Z = 2*5.
9 ?- clause(ten(X),Y), call(Y).
X = 10,
Y = (10 is 2*5).
call类似于Lisp的eval函数。
Rebol
[编辑]Rebol可巧妙的演示将代码当作数据来操纵和求值的概念。Rebol不像Lisp，不要求用圆括号来分隔表达式。下面是Rebol代码的例子，注意>>表示解释器提示符，出于可读性而在某些元素之间增加了空格：
>> repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ]
1 hello
2 hello
3 hello
在Rebol中repeat事实上是内建函数而非语言构造或关键字。通过将代码包围在方括号中，解释器不求值它，而是将它当作包含字的块：
[ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ]
这个块有类型block!，并且使用近乎赋值的语法，可以进一步的将它指定为一个字的值，这种语法实际上可以被解释器理解为特殊类型set-word!，并采用一个字跟随一个冒号的形式：
>>block1: [ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ];; 将这个块的值赋值给字`block1` == [repeat i 3 [print [i "hello"]]] >>type? block1;; 求值字`block1`的类型 == block!
这个块仍可以使用Rebol中提供的do函数来解释，它类似于Lisp中的eval。有可能审查块的元素并变更它们的值，从而改变要求值代码的行为：
>>block1/3;; 这个块的第三个元素 == 3 >>block1/3: 5;; 设置第三个元素的值为5 == 5 >>probe block1;; 展示变更了的块 == [repeat i 5 [print [i "hello"]]] >>do block1;; 求值这个块 1 hello 2 hello 3 hello 4 hello 5 hello
另見
[编辑]参考文献
[编辑]- 引用
- ^ Wheeler, David A. Readable Lisp S-expressions. [2022-01-29]. （原始内容存档于2022-01-29）.
- ^ McIlroy, Douglas. Macro Instruction Extensions of Compiler Languages. Comm. ACM. 1960, 3 (4): 214–220. doi:10.1145/367177.367223.
- ^ Mooers, C.N.; Deutsch, L.P. TRAC, A Text-Handling Language. Proceeding ACM '65 Proceedings of the 1965 20th national conference. 1965: 229–246. doi:10.1145/800197.806048.
- ^ Kay, Alan. The Reactive Engine (学位论文). University of Utah. 1969 [2014-03-28]. （原始内容存档于2018-09-15）.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Homoiconic Languages. [2020-04-23]. （原始内容存档于2013-04-23）.
- ^ Lispy Elixir. 8thlight.com. [2022-01-29]. （原始内容存档于2022-03-05）.
Elixir, on the surface, is not homoiconic. However, the syntax on the surface is just a facade for the homoiconic structure underneath.
- ^ Why we created Julia. julialang.org. [2020-04-23]. （原始内容存档于2019-02-19）.
We want a language that’s homoiconic, with true macros like Lisp, but with obvious, familiar mathematical notation like Matlab.
- ^ metaprogramming. docs.julialang.org. [2020-04-23]. （原始内容存档于2013-05-04）.
Like Lisp, Julia represents its own code as a data structure of the language itself.
- ^ Shapiro, Ehud Y.; Sterling, Leon. The art of Prolog: advanced programming techniques. MIT Press. 1994. ISBN 0-262-19338-8.
- ^ R Language Definition (PDF): 6, 2021-05-18 [2022-01-29], （原始内容 (PDF)存档于2022-04-22）,
... the semantics are of the FPL (functional programming language) variety with stronger affinities with Lisp and APL. In particular, it allows “computing on the language”, which in turn makes it possible to write functions that take expressions as input, something that is often useful for statistical modeling and graphics.
- ^ "expression: Unevaluated Expressions", [2022-01-29], （原始内容存档于2022-01-29）
- ^ Homoiconic languages (archived), in true Blue blog at Oracle
- ^ Ramsay, S.; Pytlik-Zillig, B. Code-Generation Techniques for XML Collections Interoperability. dh2012 Digital Humanities Conference Proceedings. 2012 [2020-04-23]. （原始内容存档于2016-03-03）.
- ^ Metaprogramming in mathematica. Stack Exchange. [2020-04-23]. （原始内容存档于2018-08-20）.
Mathematica is [...] Homoiconic language (programs written in own data structures - Mathematica expressions. This is code-as-data paradigm, like Lisp which uses lists for this)
- ^ Notes for Programming Language Experts. Wolfram Language. Wolfram. 2017 [2020-04-23]. （原始内容存档于2022-01-04）.
外部連結
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