我是如何设计并实现一门程序设计语言——一门函数式编程语言Lucida的诞生

Lucida——一门函数式程序设计语言的诞生

起因

自己从本科那会就开始想写一个编程语言，不过那会缺乏编译的功底。自从阅读了DSL和Language Implementation Patterns，并写了一个一定规模的Parser之后，对编译有了一个比较全的认识，大概也能想清一个语言的运行机理和实现过程。而且到现在自己用过的语言也不少了，过程的有C，OO的有C++、C#、Java，脚本的有Javascript、Python，函数式的有Scheme、Haskell，看的书更是数都数不清，以至于到后来都觉的没什么意思了。

正好现在很多人都在热衷F#、Scala什么的函数式程序设计语言，说实话，与其去学这些东西，不如自己写一个出来，那这比学这些玩意要深刻的多。倒不是追求reinvent the wheels，我只是觉得现在的wheels未免太多了些，学完这个再学那个，这辈子也学不完。与其被这些东西搞的晕头转向，不如自己弄一个出来，以后再出个什么新东西也不至于会被弄的措手不及。

设计

经过短暂的思考，我决定以Scheme、Haskell和Python为基础，在尽可能短的时间内弄一门函数式编程语言出来，支持函数式编程的所有基本特性。此外，我需要为这个语言提供一个易用的interactive interface，就像GHCi或是IDLE那样。

为了便于构建解析器，我几乎毫不犹豫的选择了Scheme的RPN（逆波兰表达式）语法，尽管这个语法有些诡异：

    (def (f a) (* a a))
    (f 3) => 9

有了Scheme这个参考，构建语言的词法分析器和语法分析器就相当简单了，用了不到两个小时就搞出了Tokenizer和Parser，前端的部分就搞定了。

由于对代码生成不熟悉，况且我要弄的是一门解释型语言，因此有一个中间结构就足够了，这里我用了我比较熟悉的异构抽象语法树：通过一个基类型节点导出各种功能的子类型节点，同时子类型节点可以保存对基类型节点的引用，简单的来说就是Composite Pattern。

 

 

 

常用的语法结构无所谓就是定义，引用，调用函数，分支语句这些，只需按照之前写好的BNF逐一对应上就可以了，算上在草稿纸设计对象模型的时间，这部分大概用了我一个多小时。

接下来就是类型系统了，为了尽快的做出第一个原型，我挑选了四个最基本的类型：数字（Number），列表（List），函数（Function），名字（Name）。

 

数字自然保存一个整数值，直接使用CLR提供的Int64就足够了，这个很简单。

列表的设计花了我点时间，主要是在同构列表（Haskell风格）和异构列表（Python风格）之间抉择，但想到同构列表还要做类型推导这类蛋疼的工作，我选择了更简单的异构列表（而且功能似乎要更强大，只是无法提供静态类型检查）。

由于函数式语言中的函数也可以作为值传递，因此无需为它命名，只需设置它的形参和方法体即可。在这里它的方法体就是一段语法树，执行这个函数就是对语法树里进行实参代换，然后规约出结果即可，很自然的东西。

名称就是对上面这些类型实例的名字，名称保存一个对基类型的引用，因此它可以指向任何类型，这样使得函数赋值变的很简单，比如说：

 

这部分花的时间比较长，大概用了三个小时的样子，因为推翻了几个不靠谱的设计，多花了些时间。

接下来就是最外层的解释器了，在这里用的就是常用解释型语言的模式：Read and Eval：首先用Read读入代码，做一个简单的语法检查。然后再由Eval把这段代码执行（实际上就是转换成语法树并规约出结果），然后由控制台输出结果，这里不需要进行什么设计，倒是控制台的配色花了点时间，我向来很不爽GHCi或是IDLE的配色，因此我绝不会让我自己设计的解释器的配色方案跟它们一样烂：

 

做了几个简单的Test之后，把符号表弄了进去，测试了一下，变量赋值，函数递归的都能用，就是列表的递归有些问题，看了下时间，已经连续搞了快10个小时了，于是休息。第二天上午用了近两个小时才把bug揪出来，原来是函数生成List时共享了一部分内存引用，修改了就好使了。再次体会到除错的恶心。

接下来就是引入基本的操作了，这个很简单：写一个预定义的方法表，然后特定的操作符回调方法表中对应的方法。由于以前就用过这种手法，所以几乎没花什么时间，一个下午的时间，算术操作符，逻辑操作符以及基本的列表操作就搞定了，晚饭回来之后顺便写了三个最常用的高阶函数：map、reduce、filter。只要玩过函数式编程或是用过Python的人都知道这几个函数的作用，非一般的好用。



我一直很喜欢Haskell和Python的List Comprehension，于是就琢磨着把它弄进来，但考虑到RPN语法的限制，于是就参考了Python的range函数，以便快速生成一个list。



再次测试，由于都是很明显的东西，所以也出不了什么错。

事实上到这里Lucida已经成为了一个全功能的语言了：变量赋值，递归，列表，高阶函数，以及常用的内置函数，作为一个语言应该有的几样基本都具备了。

之前一直认为写个语言会是个很麻烦的事情，但写完了发现实际上也不算什么，anyway, who could not design and implement a programming language in two days?

接下来的工作

    引入浮点型，以及浮点型和整形数字的混合操作：

 

    引入匿名函数和Curry函数：

 

    引入字符和字符串类型，并设计它们与列表和数字之间的转换操作：
 

    为操作符添加一些有趣的属性：

    设置操作符映射，从而可以写出极其简短的代码：

最后就是写一个语言的手册了，这个更好写，直接仿照K&R的The C Programming Language写就行了。有兴趣的同学可以到这个链接下载阅读。

后记

 

算上这篇回顾，Lucida从无到原型，再到现在的基本完备，也就是不到一周时间的而已，所以在这里建议那些动不动就要学习新语言的同学停下来，花时间自己写一门语言出来，这比学语言深刻的多，再说写一个小语言也用不了多少时间。

刚刚看到坛子里有一个关于编译的很不错的连载博客，博主好像是叫装配脑袋吧（好奇怪的名字），他把编译那些常用的东西已经讲的很清楚了，认真的看一遍的话写一个语言是不成问题的。只可惜我看到的大多回复都毫无营养，只是毫无意义的顶来顶去。

Anyway, that's all. 有兴趣的话可以交流下编程语言的知识：[email protected]