Введение в программирование на Лиспе. Учебное пособие

динамического анализа, что повышает интерес к Лиспу и функциональному программированию. Современные языки и технологии программирования унаследовали опыт реализации и применения Лиспа и других языков символьной обработки. Так, например, Java берет на вооружение идеи неполной компиляции и освобождения памяти, объектно-ориентированное программирование реализует объекты похоже на списки свойств атомов Лиспа, хэштаблицы языка Perl созвучны по применению ассоциативным спискам Лиспа. Python обрабатывает программы с нетипизированными переменными.

Наследие Лиспа в информатике достойно отдельного изложения. Существуют и активно применяются более трехсот диалектов Лиспа и родственных ему языков (Interlisp, muLisp, Clisp, Scheme, Ml, Cmucl, Logo, Hope, Sisal, Haskell, Miranda и т.д.) По современным меркам реализации Лиспа компактны и непритязательны к оборудованию. Существуют свободно распространяемые версии, занимающие менее Мегабайта, пригодные к применению на любом процессоре.

В этом курсе мы сконцентрируемся на ключевой идее Лиспа - сведении понятия "программа" к взаимодействию разных категорий функций, а также на основах и методах функционального программирования. Подробно познакомимся с базисом Лиспа, проанализируем конструктивность методов программирования на Лиспе, изучим построение Лисп-системы и узнаем ее архитектурные особенности, рассмотрим методы эффективного и прикладного программирования в функциональном стиле. С математическими основами Лиспа можно ознакомиться подробнее на страницах журнала "Компьютерные инструменты в образовании", N 2-5 за 2002 год.

Выводы:

Функции могут быть использованы для построения программ. Новые функции можно конструировать на основе ранее определенных.

Программирование с помощью функций обеспечивает гибкость программ.

11

Вопросы:

1.Назовите авторов различных идей в программировании.

2.Перечислите названия языков и систем программирования, а также информационных систем, с которыми вы знакомы.

3.Опишите наиболее известные принципы программирования и приемы записи программ.

4.Какие понятия и конструкции необходимо изображать в текстах программ?

1)Запись с помощью алгоритмической нотации школьного курса информатики

12

Работа с Лисп-системой

Вторая лекция адресована практикам, предпочитающим изучение языка программирования сопровождать немедленным экспериментом, умеющим находить информацию в сетях и устанавливать на компьютере системы программирования. Но и новичкам имеет смысл познакомиться с системой программирования на Лиспе сразу, не дожидаясь полной картины изучаемого языка. Рассмотрим следующее: Диалог с Лисп-системой Запуск Лисп-программ из файлов Пошаговое вычисление Сайты с Лисп-системами

Установка Лисп-системы

Система программирования на языке Лисп представляет собой комплекс функций для обработки различных структур данных, включая многоуровневые списки, числа, строки, файлы и их имена. Программа на Лиспе может дополнять их комплекс. Функции встраиваются в систему как атомы, имеющие определения на уровне исполняемого кода или языка программирования. В систему входит компилятор, обеспечивающий перевод функций с уровня языка программирования на уровень исполняемого кода, поэтому нет формальной разницы между определениями разного уровня. В целом работа Лисп-системы обеспечивается интерпретатором, вычисляющим отдельные выражения, последовательность которых и есть программа.

Диалог с Лисп-системой

Рассмотрим особенности функционирования Лисп-интерпретатора на примере системы GNU Clisp.

> clisp

Работа системы начинается с заставки вида:

> clisp

13

Copyright (c) Bruno Haible, Michael Stoll 1992, 1993 Copyright (c) Bruno Haible, Marcus Daniels 1994-1997

Copyright (c) Bruno Haible, Pierpaolo Bernardi, Sam Steingold 1998 Copyright (c) Bruno Haible, Sam Steingold 1999-2002

[1]>

Символ " > " - приглашение к вводу выражений для интерпретации. Выход из Лисп-системы осуществляется как вызов функции " BYE "

[1]> (BYE)1)

Происходит возврат к операционной системе.

[1]> (BYE) Bye.

Основной рабочий цикл начинается с ввода данных, представляющих так называемое символьное выражение.

[1]> (CONS 1 2)

Интерпретатор вычисляет это выражение, затем печатается полученный результат и появляется очередное приглашение:

[1]> (CONS 1 2) (1 . 2)

[2]>

При недостатке правых скобок ничего не происходит:

[1]> (CONS 1 2

Система ждет, пока не получит недостающие скобки, прежде чем

14

предложить прочитанную форму интерпретатору:

[1]> (CONS 1 2

)

(1 . 2) [2]>

Баланс скобок проще всего поддерживать, набирая пары "()" и вставляя потом между ними нужный текст. При наборе закрывающей скобки система на полсекунды перемещает курсор на соответствующую левую скобку, что также помогает замечать нарушения в балансе скобок.

При невозможности интерпретировать полученное данное как символьное выражение система печатает диагностическое сообщение:

[2]> (CONS A B)

*** - EVAL: variable A has no value2)

1.Break [3]>

Вэтом примере перед атомами "A" и "B" следует поставить апострофы, показывающие системе, что здесь эти атомы не рассматриваются как переменные. Система перешла в режим обработки прерывания, выйти из которого можно с помощью Ctrl-D (одновременное нажатие).

[5]> (cons a 'b)

*** - EVAL: variable A has no value 1. Break [6]> 3)

[7]> (cons 'a 'b) (A . B)

[8]>

Оперативную коррекцию можно делать без повторного набора текста строковым редактором. Стрелка вверх, предназначенная для перемещения курсора, здесь используется для перехода к ранее набранной строке.

[1]> (CONS 1 2)

(1 . 2) [2]>4) (CONS 1 2)

15

Теперь эту строку можно подкорректировать:

[1]> (CONS 1 2) (1 . 2)

[2]> (CONS 4 5)5) (4 . 5)

Можно пользоваться любым регистром при наборе имен, включая русский регистр6) При выводе происходит сведение к заглавным буквам.

[1]> (cons 'ГОЛОВА 'хвост) (ГОЛОВА . ХВОСТ)

[2]>

Запуск Лисп-программ из файлов

Программа на Лиспе – это последовательность интерпретируемых выражений.

Представим, что подготовлен файл с именем "start.lsp":

; пример программы

(defun первый (x) (car x)) ;; определение новой функции

(print (первый '(one two))) ;; вывод результата применения новой функц

Расширение "lsp" символизирует тексты на Лиспе. В этом файле содержится программа с построчными комментариями. Комментарии отделяются от программы символом ";".

Defun – функция трех аргументов: первый – имя объявляемой новой функции, второй – список ее аргументов, третий – тело определения. Функция " Defun " встраивает в систему новую, определяемую в программе функцию.

Print – унарная псевдо-функция, печатающая свой аргумент.

Заранее подготовленный файл с программой можно ввести и сразу исполнить с помощью функции LOAD.

16

[1]> (LOAD 'start.lsp) T

ONE [2]>

Перед именем файла ставится апостроф. Результат " T " означает, что чтение файла прошло успешно. При чтении файла произошла интерпретация содержащихся в нем выражений. Чтобы увидеть результаты работы программы здесь применение функции оформлено как аргумент псевдо-функции " PRINT ".

На примерах видно, что символьное выражение может выглядеть как имя, число или круглоскобочная структура.

Пошаговое вычисление

В системе имеется функция " STEP ", обеспечивающая пошаговую интерпретацию сложных выражений.

Унарная функция " STEP " выполняет пошаговую интерпретацию своего аргумента. Ее работа начинается с приглашения выбрать действие по управлению интерпретацией (см. таблицу):

[2]> (step (cons (car '(a . b)) 'd )) step 1 --> (CONS (CAR '(A . B)) 'D ) Step 1 [3]>

Таблица 2.1. Первоочередные средства управления пошаговой интерпретацией символьных выражений. (Можно пользоваться сокращенными обозначениями из 2-ой колонки.)

Вывод последнего сообщения об ошибке

17

Вычисление данной формы сразу, полностью

По действию "step" выбирается вычисление первого аргумента функции

"CONS":

Step 1 [2]> (step (cons (car '(a . b)) 'd ))

Это же действие "step" теперь можно выбирать с помощью стрелки вверх:

Step 1 [2]> (step (cons (car '(a . b)) 'd))

Step 1 --> (CONS (CAR '(A . B)) 'D)

Step 1 [3]> step

Step 2 --> (CAR '(A . B))

Step 2 [4]> step7)

Step 3 --> '(A . B)

Step 3 [5]>

Теперь шаг за шагом смотрим как интерпретатор перебирает подвыражения и получает их значения:

(step (cons (car '(a . b)) 'd ))

step 1 --> (CONS (CAR '(A . B)) 'D) Step 1 [15]> step

step 2 --> (CAR '(A . B)) Step 2 [16]> step

step 3 --> '(A . B) Step 3 [17]> step

18

step 3 ==> value: (A . B) step 2 ==> value: A step 2 --> 'D

Step 2 [18]> step

step 2 ==> value: D step 1 ==> value: (A . D) (A . D)

Step 1 [14]>

Сайты с Лисп-системами

Интернет-браузер на запрос "Lisp" даст многочисленные ссылки на сайты, среди которых можно найти следующее:

Таблица 2.1. Адреса, выданные IE через Yandex в начале июля 2006 года

19

Сайт Морозова с ссылка: введением в

http://www.marstu.mari.ru/mmlab/home/lisp/title.htm программирование на Лиспе

ссылка: http://vspu.ac.ru/~lmiker/5im/rezn.htm

Сайт Микеровой с учебником по Лиспу

Сайт Заочной школы программирования и Информационных технологий, включающий материалы по Лиспу

Можно воспользоваться комплектом GNU Clisp.

Установка Лисп-системы

Установка системы GNU Clisp досаточно проста и описана в readme комплекта поставки:

GNU Common Lisp

Для установки:

В файлах *.bat поместить после

"SET L=" наименование каталога, где установлен

CLISP.

20